STRUTTURA RETE ELETTRICA

Транскрипт

1 ELEMENTI di IMPIANTI ELETTRICI

2 STRUTTURA RETE ELETTRICA GENERAZIONE TRASMISSIONE in MT in AT (10 15 kv) ( kv) DISTRIBUZIONE in MT e BT Classificazione sistemi elettrici (Norma CEI 64 8) Categoria Tensione Alternata Tensione continua 0 Vn 50 V Vn 120 V 1 BT 50 V Vn 1000 V 120 V < Vn 1500 V 2 MT 1 kv < Vn 30 kv 1.5 kv< Vn 30 kv 3 Vn> 30 kv Vn > 30 kv AT

3 STRUTTURA RETE ELETTRICA Struttura del sistema Un sistema elettrico di produzione, trasmissione e distribuzione dell'energia elettrica consta schematicamente dei seguenti elementi: Impianti di produzione (o meglio trasformazione!?!); Linee di trasmissione AT; Stazioni primarie; Linee di distribuzione AT; Cabine primarie; Linee di distribuzione MT; Cabine secondarie; Linee di distribuzione BT

4 La Generazione della Energia Elettrica

5 La GENERAZIONE della ENERGIA ELETTRICA La produzione, nei tipi di centrali più comuni, è fatta mediante un generatore sincronotrifase, detto alternatore, che erogaenergia energia ad una tensione variabile tra i 10 ed i 25 kv, con potenze comprese tra i 25 ed i 500 MVA La tensione non può salire oltre per motivi tecnologici; una tale tensione è troppo BASSA per la successiva trasmissione (le perdite in linea sarebbero intollerabilmente elevate) Per questo motivo, a pochi metri dall alternatore (di regola nel piazzale esterno al capannone in cui questo si trova), viene installato un trasformatore elevatore trifase, che ha la funzione di portare la tensione dal valore fornito dall alternatore, al valore più adatto per la rete di trasmissione.

6 La GENERAZIONE della ENERGIA ELETTRICA Le centrali elettriche sono degli stabilimenti nei quali si effettua la CONVERSIONE di energia da una forma non elettrica ad elettrica. Esse si differenziano in base al tipo di energia primaria che impiegano. Si hanno impianti: 1. Idroelettrici: Ad acqua fluente (piccola prevalenza, grande portata di acqua, adatte per grandi fiumi; inadatti alla regolazione, in quanto antieconomica) A salto (prevalenza medio alta, portata più ridotta; adattissime alla regolazione) Di pompaggio (concettualmente si tratta di un impianto simile al precedente, che però viene impiegato come accumulatore, pompando acqua verso l alto durante la notte, e utilizzando l energia immagazzinata durante il giorno. Rendimento totale circa del 60%, adatte alla regolazione)

7 1. Impianti IDROELETTRICI ad acqua fluente htm Non dispongono di alcuna capacità di regolazione degli afflussi, per cui la portata sfruttata coincide con quella disponibile nel corso d'acqua (a meno di una quota detta deflusso minimo vitale, necessari per salvaguardare l'ecosistema); quindi la turbina produce con modi e tempi itotalmente t t dipendenti d dalla disponibilità del corso d'acqua. Le turbine delle centrali ad acqua fluente sono azionate dall'acqua di un fiume. Il dislivello tra l'alto e il basso corso del fiume è minimo se paragonato a quello delle centrali ad accumulazione. Per contro la quantità d'acqua disponibile è maggiore. Le centrali ad acqua fluente funzionano ininterrottamente, coprendo la domanda di base: sono quindi centrali di base. La produzione di elettricità dipende dalla portata del fiume: di norma in Italia queste centrali producono più energia nelle stagioni piovose

8 1. Impianti IDROELETTRICI htm Bacino di carico Diga e spillamento Salto (m) Centrale Griglia di filtraggio Quadro controllo Alla rete Cabina Potenza (kw) 7 x Salto x Portata Generatore Turbina Portata (m 3 /s) Bacino inferiore

9 1. Impianti IDROELETTRICI di pompaggio htm

10 CENTRALI IDROELETTRICHE TURBINA RISORSA CARATTERISTICA Kaplan Acqua fluente Bassa velocità (p elevato) Francis Bacino idroelettrico Media velocità (bassa caduta) Pelton eton Bacino idroelettrico ettr Alta velocità (alta caduta) (p=1,2)

11 2. Impianti TERMOELETTTRICI Le centrali termoelettriche, sostanzialmente, sono costituite da sistemi di conversione che utilizzano l'energia chimica dei combustibili per trasformarla in energia elettrica. Le centrali termoelettriche sono caratterizzate da una caldaia, alimentata automaticamente dal deposito che contiene il combustibile e attraversata da una serpentina nella quale circola l'acqua. L'acqua, grazie alla combustione e all'energia termica conseguente, viene riscaldata fino a 300 C e si trasforma in vapore; questo viene ulteriormente riscaldato fino a 450 C ed acquisisce una notevole pressione. Il vapore convogliato sulla turbina, cede la sua energia cinetica facendo ruotare la stessa.

12 2. Impianti TERMOELETTTRICI La turbina, collegata all'asse dell'alternatore lo trascina in rotazione. Nell'alternatore, grazie al fenomeno dell'induzione elettromagnetica, l'energia meccanica trasmessa dalla turbina, viene trasformata in energia elettrica. L'energia elettrica prodotta dall'alternatore viene trasmessa al trasformatore che ne innalza la tensione, per evitare perdite, prima di immetterla nella rete di distribuzione. Il vapore che esce dalla turbina viene riportato allo stato liquido nel condensatore e ripompato nella caldaia. Il camino provvede ad espellere nell'atmosfera i fumi della combustione.

13 2. Impianti TERMOELETTTRICI A vapore (impianto a ciclo Rankine Hirn; viene prodotto vapore che evolve in una turbina; il combustibile può essere gas, gasolio, o carbone; lente in regolazione, che è antieconomica) Turbogas (impianto in cui viene prodotto gas ad elevata temperatura che evolve in una turbina a gas; molto veloci in regolazione) A ciclo combinato (impianto a turbogas, in cui con i gas ad alta temperatura che si hanno allo scarico vengono utilizzati per produrre vapore che aziona una turbina a vapore; il rendimento è migliore)

14 3. Impianti TERMONUCLEARI Impianto a vapore, in cui la vaporizzazione è ottenuta a spese dell energia prodotta da una reazione di fissione nucleare controllata; inadatte alla regolazione, che inoltre è antieconomica. Ogni centrale è formata da un reattore protetto da una campana di rivestimento e da un sistema di raffreddamento in cui circola l'acqua presa da un fiume o dal mare. L'energia termica è fornita dll dalla fissione dei nuclei di atomi di uranio, che ha luogo nel reattore nucleare. L' acqua, riscaldata dal calore prodotto durante la fissione, viene trasformata in vapore. Il vapore mette in funzione una turbina collegata con un alternatore che produce energia elettrica. Il vapore uscito dalla turbina passa in un condensatore dove viene raffreddato e trasformato in acqua. Questa acqua viene inviata i al reattore per essere riutilizzata. ili

15 4. Impianti FOTOVOLTAICI Producono energia tramite la conversione diretta realizzata da celle fotovoltaiche di energia da luminosa ad elettrica; la potenza è limitata dall insolazione; sono eccellenti perl alimentazionedipiccoliimpiantidifficilmenteraggiungibili, piccoli impianti difficilmente raggiungibili, come piccoli fari, boe luminose, etc. I principali componenti di un impianto fotovoltaico a isola sono generalmente: Campo fotovoltaico, deputato a raccogliere energia mediante moduli fotovoltaici disposti opportunamente a favore del sole; Regolatore di carica, deputato a stabilizzare l'energia raccolta e a gestirla all'interno del sistema; Batteria di accumulo, costituita da una o più batterie ricaricabili opportunamente connesse (serie/parallelo) deputata/e a conservare la carica elettrica fornita dai moduli in presenza di sufficiente irraggiamento solare per permetterne un utilizzo differito da parte degli apparecchi elettrici utilizzatori. Inverter altrimenti detto convertitore DC/AC, deputato a convertire la tensione continua (DC) in uscita dal pannello (solitamente 12 o 24 volt) in una tensione alternata (AC) più alta (in genere 110 o 230 volt per impianti fino a qualche kw, a 400 volt per impianti con potenze oltre i 5 kw)

16 5. Impianti SOLARI Producono energia tramite la produzione di vapore ad opera dell energia solare; potenza limitata dall insolazione

17 6. Impianti EOLICI Sfruttano l energia del vento tramite grosse eliche; installabili in località in cui i venti soffino con costanza, per avere redditività, senza punte improvvise, per evitare danneggiamenti. Un impianto eolico è costituito da una o più turbine (aerogeneratori) che trasformano l energia cinetica del vento in energia elettrica, operando attraverso il semplice principio di seguito illustrato. La rotazione è successivamente trasferita, attraverso un apposito sistema meccanico di moltiplicazione dei giri, ad un generatore elettrico e l energia prodotta, dopo essere stata adeguatamente trasformata, viene immessa nella rete elettrica. Il vento fa ruotare un rotore, normalmente formato di due o tre pale e collegato ad un asse orizzontale.

18 7. Impianti GEOTERMICO Sfruttano l energia termica proveniente dal Generalmente nelle attuali centrali terreno in particolari siti, quali i soffioni di geotermoelettriche si sfrutta la pressione Larderello, nel Grossetano esercitata dal vapore contenuto negli acquiferi geotermici per muovere una turbina Rankine accoppiata ad un generatore. L enorme pressione dei geyser spinge i vapori fino a un altezza che varia dai 20 ai 70 metri. L energia di questo fenomeno naturale è enorme, se incanalata può alimentare direttamente una turbina a vapore e produrre una quantità notevole di energia. Di questo tipo sono le centrali di Lardarello in Toscana, in Islanda questa tecnologia è molto sfruttata, la centrale più grande è "The Geyser", che si trova circa 140 km a Nord di San Francisco in California (Usa) con una potenza totale di 750 MW.

19 8. Impianti MAREOMOTORI Sfruttano l energia delle maree; impiegabili soltanto dove le maree siano molto forti, e l estuario di un fiume sia sufficientemente ampio da poter essere usato come bacino. Impianto tipico: centrale di Saint Malo alla foce del fiume Rance, sulla costa Atlantica della Francia. Sfrutta la marea che da quelle parti raggiunge 13,5 m di dislivello La portata raggiunge metri cubi di acqua al secondo e la produzione annua della centrale copre il 3% del fabbisogno elettrico della Bretagna. La centrale comprende una diga in pietrame, 6 chiuse di entrata e uscita per vuotare e riempire rapidamente la foce e 24 turbine a bulbo, sviluppate appositamente.

20 Impatto delle rinnovabili Energia elettrica da rinnovabili, Da notare la costanza della geotermica, il significativo aumento delle biomasse e rifiuti, la scarsità dell eolica, l inconsistenza della solare

21 Ogni centrale comprende anche una serie di altre apparecchiature di manovra e protezione: INTERRUTTORI SEZIONATORI TA (trasformatori di corrente) TV (trasformatori di tensione) Diversi strumenti di misura Sistemi di regolazione Allarme in caso di guasti

22 La produzione in ITALIA L'Italia non dispone di consistenti riserve di combustibili fossili e quindi la quasi totalità della materia prima utilizzata viene importata dall'estero. SecondolestatistichediTerna di Terna, società che dal 2005 gestisce la rete di trasmissione nazionale, la maggior parte delle centrali termoelettriche italiane sono alimentate a gas naturale (65,2% del totale termoelettrico nel 2007), carbone (16,6%) e derivati petroliferi (8,6%). Percentuali minori (circa il 2,1%) fanno riferimento a gas derivati (gas di acciaieria, di altoforno, di raffineria) e a un generico paniere di "altri combustibili" (circa il 7,3%) in cui sono comprese diverse fonti combustibili "minori", sia fossili che rinnovabili (biomassa, rifiuti, coke di petrolio, Orimulsion, bitume e altri). Variazioni percentuali fonti di energia non rinnovabile in Italia. Elaborazione da dati pubblicatida Terna

23 La produzione in ITALIA La maggior parte dell'energia elettrica prodotta in Italia con fonti rinnovabili deriva dalle fonti rinnovabili cosiddette "classiche". Le centrali idroelettriche (localizzate principalmente nell'arco alpino e in alcune zone appenniniche) producono il 10,7% del fabbisogno energetico lordo; le centrali geotermoelettriche (essenzialmente in Toscana) producono l'1,5% della potenza elettrica mentre le "nuove" fonti rinnovabilicome l'eolico (con parchi eolici diffusi principalmente in Sardegna e nell'appennino meridionale), sebbene in crescita, producono ancora solo l'1,1% della potenza elettrica richiesta. Percentuali ancora minori vengono prodotte con il solare in impianti connessi in rete o isolati Variazioni percentuali fonti di energia rinnovabile in Italia. Elaborazione da dati pubblicati da GSE / Terna

24 Le FONTI ENERGETICHE in ITALIA Numero di impianti (2009) Serie Idroelettrici Termoelettrici Eolici Fotovoltaici Geotermica La produzione in ITALIA in termini di potenza generata Idroelettrici Termoelettrici Eolici Fotovoltaici Geotermica 3% 0% 1% 21% 75%

25 ENERGIA RICHIESTA IN ITALIA

26 La richiesta di potenza durante la giornata: il diagramma di CARICO Si definisce diagramma di carico la curva della potenza attiva prelevata dall utenza in funzione del tempo. Tale curva sarà quantitativamente differente in dipendenza del periodo dell anno, se la giornata è feriale o festiva, etc. Stima del carico di potenza, espresso in MW, richiesto ihi nel giorno successivo ora per ora Valori relativi al 01 Luglio 2006

27 Tecniche di Regolazione In una rete elettrica è indispensabile mantenere l equilibrio delle potenze attive (se manca varia la frequenza), e delle potenze reattive (se manca varia la tensione). A tale scopo esiste un centro in cui vengono convogliati tutti i dati di produzione e di assorbimento, e vengono predisposti gli ordini di servizio per le varie centrali, compatibilmente con il tipo di centrale, e le sue possibilità di regolazione. In linea di massima gli impianti di produzione saranno divisi in quattro categorie: Impianti inadatti alla regolazione: in servizio alla massima potenza per 24 ore al giorno (nucleari, ad acqua fluente) Impianti poco adatti alla regolazione: in servizio a potenze poco diverse nell arco della giornata (termoelettrici a vapore) Impianti adatti alla regolazione: inseriti, iti disinseritii iti e regolati a piacere nell arco della giornata (a salto ed a pompaggio) Impianti per la gestione dei picchi improvvisi di potenza: p p g p p p (turbogas: hanno la possibilità di prendere carico con un preavviso minimo, se mantenuti in riserva calda, cioè in rotazione a vuoto)

28 La Trasmissione della Energia Elettrica

29 La TRASMISSIONE dell ENERGIA ELETTRICA In Italia i valori utilizzati per la trasmissione sono di 132, 220, 380 kv, intesi come valore della tensione concatenata. In alcuni Paesi esteri, a causa di distanze maggiori, talvolta si usano valori ancora maggiori (in Canada anche 765 kv) Le rete a 380 kv è stabilmente interconnessa a livello Europeo, perché ciò migliora grandemente la stabilità, e l affidabilità di rete (in pratica è un'unica rete di potenza pari alla somma di tutte le potenze delle reti dei vari Paesi; pertanto un eventuale perdita di un generatore è meno problematica) Inoltre, sulle reti che connettono l Italia con i Paesi confinanti, transita l energia che viene acquistata dall estero Ovviamente l insieme di queste reti è interconnesso in svariati punti, tramite l impiego di opportuni trasformatori. Tali punti prendono il nome di CABINE o STAZIONI PRIMARIE.

30 La TRASMISSIONE dell ENERGIA ELETTRICA DATI ENEL Linee km di linee in alta tensione km di linee in media tensione km di linee in bassa tensione Cabine cabine primarie con una potenza di trasformazione di circa MVA cabine secondarie con una potenza di trasformazione di circa MVA

31 La TRASMISSIONE dell ENERGIA ELETTRICA Nelle cabine primarie, di regola sono contenute tutte le apparecchiature di manovra e controllo, e possono coesistere sistemi a diversa tensione, per esempio linee a 220 e 380 kv con interconnessione, possono inoltre essere presenti svariate linee in media tensione per la distribuzione M.T. locale. Le utenze più grosse (stabilimenti industriali, acciaierie, carichi comunque imponenti) possono essere alimentati DIRETTAMENTE in alta tensione (fino a 220 kv). Ovviamente devono fornire certe garanzie tecniche. Le linee di trasmissione sono di regola realizzate con elettrodotti, cioè conduttori nudi, sospesi tramite isolatori a tralicci metallici; l utilizzo di cavi sotterranei è poco praticato sopra i 132 kv, a causa delle difficoltà tecniche e dei costi esorbitanti che comporta con il crescere della tensione. Le linee A.T. sono alimentate con trasformatori con avvolgimento A.T. collegato a stella, con centro stella collegato a terra. Ad oggi, dato l assorbimento di potenza elevato, nelle grandi città si entra con cavi sotterranei a 132 ed anche 220 kv, e le cabine sono di tipo blindato in SF6, al fine di poterle realizzare negli spazi ristretti disponibili in città. Praticamente l unica struttura appariscente risulta essere il trasformatore A.T. M.T.

32 La Distribuzione della Energia Elettrica

33 La DISTRIBUZIONE in Media Tensione (MT) Le linee MT: si dipartono dalle cabine secondarie, vale a dire strutture nelle quali arriva un alimentazione AT e, tramite un trasformatore, viene prodotta la MT che alimenta le linee in uscita. La distribuzione MT di regola è realizzata mediante cavi nei centri abitati, ed in elettrodotto in zone rurali. I cavi MT vengono ricoperti da plastica rossa per renderli più evidenti nel caso di operazioni di scavo. Ogni linea MT andrà ad alimentare o un utenza utenza MT (stabilimenti, grossi centri residenziali), oppure ad alimentare le cabine pubbliche MT BT, che si possono facilmente vedere in città. Le linee MT sono alimentate da trasformatori connessi a triangolo, e quindi non connesse a terra in alcun punto.

34 La DISTRIBUZIONE in BASSA TENSIONE (BT) Le linee MT: si dipartono dalle cabine secondarie, vale a dire strutture nelle quali arriva un alimentazione AT e, tramite un trasformatore, viene prodotta la MT che alimenta le linee in uscita. La distribuzione MT di regola è realizzata mediante cavi nei centri abitati, ed in elettrodotto in zone rurali. I cavi MT vengono ricoperti da plastica rossa per renderli più evidenti nel caso di operazioni di scavo. Ogni linea MT andrà ad alimentare o un utenza utenza MT (stabilimenti, grossi centri residenziali), oppure ad alimentare le cabine pubbliche MT BT, che si possono facilmente vedere in città. Le linee MT sono alimentate da trasformatori connessi a triangolo, e quindi non connesse a terra in alcun punto.

35

36 La DISTRIBUZIONE in BT E presente un trasformatore MT BT con secondario connesso tipicamente a stella, in modo da poter alimentare un sistema di distribuzione a 4 fili, il quale viene portato tt nei punti di fornitura all utente t (illuminazione i i stradale, piccole industrie, esercizi commerciali, utenze domestiche) Le linee BT moderne sono di regola realizzate in cavo (insieme di conduttori raggruppati, ognuno isolato separatamente), che può essere posato in modi diversi: in canaletta murata in canaletta interrata sospeso con fune portante, etc. Per la distribuzione all interno di impianti industriali vengono utilizzate le cosiddette blindosbarre, che sono delle strutture prefabbricate in lamiera metallica, che contengono sbarre conduttrici nude, isolate tra loro e dalla canaletta metallica; tali strutture costituiscono moduli standardizzati (lineari, angolari, derivazioni, i i etc.) e permettono la veloce realizzazione i e modifica di impianti di distribuzione interna.

37 La DISTRIBUZIONE in BT Le norme dispongono che il colore del rivestimento isolante dei cavi di bassa tensione deve corrispondere alla funzione assegnata al cavo Conduttore di protezione, di terra, equipotenziale Giallo verde Conduttore di neutro Blu chiaro Fasi nero,marrone, grigio, bianco

38 Le Linee Elettriche

39 Linee elettriche Sono costituite i da più conduttori mutuamente isolati i che si sviluppano parallelamente per connettere apparecchiature elettriche (generatori, trasformatori, carichi). IMPIEGO: sistemi elettrici di potenza sistemi elettrici di segnale TIPOLOGIE: a) Numero di conduttori linee bifilari linee unifilari linee a 3 o 4 fili b) Isolamento Linee aeree (conduttori nudi distanziati) Linee in cavo (conduttori dotati di guaine isolanti) c) Estensioni Fino a varie centinaia di km nei grandi elettrodotti per la trasmissione dell energia.

40 Linee elettriche AEREE

41 Linee elettriche in CAVO

42 Circuito equivalente LINEA MONOFASE Circuito equivalente a costanti concentrate r, l,g e c sono i parametri per unità di lunghezza

43 LINEA AEREA a f=50 Hz LINEA in CAVO a f=50 Hz

44 Caduta di Tensione sulla Linea

45 Caduta di Tensione sulla Linea

46 Caduta di Tensione sulla Linea

47 SOVRATENSIONI e Dispositivi di Protezione

48 SOVRATENSIONI Si definisce sovratensione una tensione che supera il valore di picco della massima tensione in regime permanente, presente in un impianto nelle condizioni i i ordinarie i di funzionamento. Le sovratensioni rappresentano la principale causa di guasto delle apparecchiature elettriche ed elettroniche, nonché di interruzione dell attività produttiva. Gli isolamenti devono essere dimensionati in modo da offrire adeguata sicurezza anche nei confronti di eventuali sovratensioni.

49 Conseguenze delle SOVRATENSIONI Cedimento dell isolamento Fusione di dei conduttori Distruzione di componenti essenziali Corto circuiti che possono provocare incendi e/o esplosioni

50 SOVRATENSIONI CAUSE INTERNE (variazioni di regime) Manovre sugli impianti (apertura o chiusura interruttori) Improvvisa riduzione del carico Risonanze Contatti accidentali di un impianto con un altro a tensione di esercizio ii maggiore

51 SOVRATENSIONI CAUSE ESTERNE Fenomeni di origine atmosferica (fulminazioni dirette e indirette) i ( t) = I [ exp( t T ) exp( t )] 0 I 0 = ka T f = μs T e = μs e T f

52 IL FULMINE FULMINE DISCENDENTE (polarità negativa) leader Return stroke FULMINE ASCENDENTE (polarità negativa) leader Return stroke

53 Fulminazione diretta SOVRATENSIONI Fulminazione indiretta

54 Fulminazioni dirette ed indirette Fulminazione diretta di un elettrodotto Fulminazione indiretta di un elettrodotto

55 Dispositivi di Protezione dalle SOVRATENSIONI SOVRATENSIONI SCARICATORI AD ASTA (Spinterometri) Quando il campo elettrico supera la rigiditàdielettrica dell aria si verifica n Quando il campo elettrico supera la rigidità dielettrica dell aria, si verifica n arco tra le punte dell asta che costituisce la via preferenziale attraverso cui si scarica la sovratensione

56 Linea aerea 220 kv con isolatori di sospensione in vetro 56

57 Dispositivi di Protezione dalle SOVRATENSIONI SCARICATORI AD OSSIDO DI ZINCO (Varistori) Caratterististica tensione corrente non lineare: alta impedenza rispetto a terra durante le condizioni normali di funzionamento corto circuito a terra in presenza di una sovratensione

58 SCARICATORI conduttore in tensione conduttore in tensione corpo isolante elettrodi spinterometrici corpo isolante elettrodi spinterometrici Resistore nonlineare Nella versione spinterometrica, sono costituiti da due elettrodi affacciati posti ad una certa distanza: uno di essi fa capo alla linea da proteggere mentre l altro è collegato direttamente a terra. Quando la tensione di linea supera la rigidità dielettrica dell aria interposta fra gli elettrodi, si verifica un arco elettrico, che costituisce la via preferenziale attraverso la quale si scarica la sovratensione: la distanza fra le punte dipende d dl dal valore della dll tensione per la quale si desidera che avvenga l innesco dell arco. Gli scaricatori a resistenza non lineare sono realizzati ponendo in serie uno scaricatore spinterometrico con una resistenza non lineare allo scopo di mantenere praticamente costante la tensione ai capi della protezione.

59 Dispositivi di Protezione dalle SOVRATENSIONI Esempio di SCARICATORI AD OSSIDO DI ZINCO (Varistori) Condizione normale di funzionamento: v(t) v(t) Circuito aperto impedenza molto otoee elevata In presenza di sovratensione: v(t)

60 SOVRACORRENTI e Dispositivi di Manovra e Interruzione

61 SOVRACORRENTI Si ha sovracorrente quando la corrente assorbita da un carico (equindi la potenza) supera quella che può essere fornita e sopportata dalla linea. Le sovracorrenti possono essere derivare da: SOVRACCARIC0 Superamento dei valori di corrente per i quali una linea o un apparecchiatura sono dimensionate (In) (e.g. Spunto dei motori asincroni in fase di avviamento) CORTO CIRCUITO Contatto tt tra due elementi tidell impiantonon i equipotenziali. i Le correnti di cto cto possono essere molto elevate in quanto limitate solo dall impedenza a monte del guasto.

62 APPARECCHI DI MANOVRA E INTERRUZIONE La gestione e la sicurezza di una rete elettrica è affidata a queste apparecchiature che devono provvedere a: 1) Realizzare manovre richieste dalle esigenze dell utenza in condizioni di esercizio ordinario 2) Far fronte in maniera automatica ad anomalie di funzionamento che possono costituire pericolo per le cose o persone 1) INTERRUTTORI Manuali x Automatici x Apertura e chiusura di una linea sottocarico anche in condizioni di corto circuito

63 INTERRUTTORI Un interruttore è generalmente realizzato mediante due elettrodi: uno fisso ed uno mobile. Nella posizione di interruttore chiuso l elettrodo mobile è pressato contro l elettrodo fisso. Nella posizione di interruttore aperto l elettrodo mobile è separato dall elettrodo fisso da uno spessore di materiale isolante Durante il processo di apertura dell interruttore, al momento del distacco dell elettrodo mobile da quello fisso, nasce un arco elettrico (E = V/d > K = rigidità dielettrica del materialeisolante) isolante) che si estingue primache lelettrodo l elettrodo mobile abbia raggiunto la posizione di fine corsa, corrispondente allo stato di interruttore aperto. Esempio di interruttore tt in olio per MT

64 CARATTERISTICHE DEGLI INTERRUTTORI TIPI DI INTERRUTTORI Interruttori in olio Interruttori ad aria compressa Interruttori ad esafluoruro di zolfo (SF 6 6) Interruttori in aria a deionizzazione magnetica (DEION) Interruttori sotto vuoto PRINCIPALI CARATTERISTICHE FUNZIONALI DEGLI INTERRUTTORI Tensione nominale: tensione che l interruttore è in grado di sostenere indefinitamente nella posizione di interruttore aperto. Corrente nominale: corrente che l interruttore è in grado di sostenere indefinitamente nella posizione di interruttore chiuso. Potere di interruzione: massima corrente (valore efficace se in corrente alternata) che l interruttore è in grado di interrompere

65 2) CONTATTORI Manuali Automatici Interruzione delle sole correnti di normale esercizio

66 3) SEZIONATORI Manuali Automatici ti i Interruzione della continuità elettrica in linee a vuoto (I=0) N.B. Nella fase di interruzione del circuito si apre prima l interruttore e poi il sezionatore.

67 3) SEZIONATORI I sezionatori sono destinati ad interrompere la continuità elettrica per le sole linee a vuoto. Pertanto sono sempre inseriti a monte e a valle di un interruttore. I loro contatti, spesso del tipo a coltello, sono generalmente visibili e forniscono, in tal modo, una sorta di assicurazione visiva sullo stato di apertura della linea. circuito aperto chiusura sezionatori chiusura interruttore apertura interruttore apertura sezionatori

68 4) FUSIBILI Dispositivo di protezione dalle sovracorrenti: interrompe correnti di corto circuito elevate. E costituito da un filo in lega metallica a basso punto di fusione

69 4) FUSIBILI (a) (b) I fusibili sono i più semplici dispositivi di protezione contro le sovracorrenti. Sono costituiti essenzialmente da un corto conduttore in lega a basso punto di fusione alloggiato entro un apposito contenitore. Il simbolo del fusibile è riportato in figura (a); il simbolo di figura (b) si riferisce invece al fusibile dotato di indicazione a tratto spesso dell estremo che rimane in tensione dopo l intervento. Dopo l intervento, il fusibile va sostituito per ristabilire la connessione elettrica dell impianto. i I fusibili vengono sempre inseriti a monte dell impianto seguiti da un interruttore automatico. Il tempo di intervento dei due dispositivi viene scelto in modo che, normalmente, la protezione venga garantita dall interruttore automatico e quindi sia possibile, ad eliminazione del guasto avvenuta, procedere al ristabilimento delle condizioni operative dell impianto mediantelasemplice chiusuradell interruttore interruttore

70 RELE Il rele è un dispositivo che serve per azionare gli interruttori. CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLA GRANDEZZA ALLA QUALE SONO SENSIBILI: Voltmetrici Amperometrici Wattmetrici Frequenzimetrici Ad impedenza Termici Tachimetrici CLASSIFICAZIONE IN BASE AL PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO: Elettromagnetici Elettrodinamici Ad induzione CLASSIFICAZIONE INBASE ALLA GRANDEZZA DA ANALIZZARE: Di massima Di minima Differenzialei

71 I F EM A RELÈ MAGNETICO C M Tempo Caratteristica di intervento Zona di intervento EM F M C Tin Is = 8 10 In Corrente Ilrelè magnetico è costituito da un nucleo di materialeferromagnetico diviso in una parte fissa (EM) ed una parte mobile (A). La parte mobile è tenuta in posizione da una forza di natura magnetica (F EM ), proporzionale alla corrente I, ed una forza di natura meccanica, dovuta alla molla M. Ad ogni valore della corrente I corrisponde una posizione di equilibrio della parte mobile, tanto più prossima alla parte fissa quanto più elevato è il valore della corrente. Quando la corrente raggiunge il valore di intervento, la posizione di equilibrio della parte mobile fa sì che venga attivato il meccanismo di apertura dell interruttore. Il tempo di intervento è molto breve, praticamente indipendente dal valore della corrente.

72 RELÈ TERMICO Caratteristica di intervento Tempo Zona di intervento 5 sec I 5 sec = 4 In Corrente Ilrelè termico è costituito da una laminabimetallica bimetallica. Ad ogni valore della corrente I corrisponde un valore della temperatura di regime della lamina, tanto più alto quanto più elevato è il valore della corrente. Tanto più alta è la temperatura della lamina, tanto maggiore è la curvaturadella stessa, dovuta al diverso valore del coefficiente di dilatazione termica dei metalli costituenti. Quando la temperatura raggiunge il valore di intervento, la curvatura della lamina fa sì che venga attivato il meccanismo di apertura dell interruttore. Il tempo di intervento è tanto più breve quanto più alta è la sovracorrente.

73 RELÈ MAGNETO TERMICO Il relè magneto termico t è costituito da un relè magnetico ed un relè termico le cui correnti di intervento sono coordinate in modo che: Tempo Tin Caratteristica di intervento Termico Zona di intervento I s = 8 10 In Magnetico Corrente 2) il relè magnetico interviene rapidamente solo in caso di sovracorrenti di elevata intensità (15 20 volte quella nominale), sicuramente dovute a corto circuiti presenti nell impianto. 1) Il relè termico interviene con un tempo di intervento inversamente proporzionale allaintensità della sovracorrentein caso di sovracorrentidi modesta entità (sovraccarichi) che possono anche essere dovute a normali transitori dell impianto.

74 OSSERVAZIONE: I relè magnetico, termico, magnetotermico intervengono SEMPRE per corrente SUPERIOREallacorrente nominaledell impianto (da 4 ad 8 10 volte). Ad esempio, in un utenza domestica con corrente nominale di 15 A, la corrente di intervento non è inferiore a 60 A. La corrente pericolosa per l uomo è di 50 ma! Per proteggere l uomo luomo si usa il RELE DIFFERENZIALE

75 RELE DIFFERENZIALE (salvavita) Correntedi intervento moltominoreallacorrenteminore nominale dell impianto: IMPIANTI INDUSTRIALI: I Δ = 300 ma UTENZE DOMESTICHE: I Δ = 30 ma UTENZE PARTICOLARI: I Δ = 10 ma

76 ELEMENTI di SICUREZZA ELETTRICA

77 EFFETTI DELLA CORRENTE ELETTRICA SUL CORPO UMANO La corrente elettrica, attraversando il corpo umano, produce effetti che possono essere dannosi, fino a portare alla morte, a seconda del valore della intensità della corrente, della frequenza e del tempo di contatto. Comunque sia il tipo di contatto elettrico, il corpo umano, o animale in genere, subisce il fenomeno dello shock elettrico, più semplicemente detto elettrocuzione o folgorazione, cioè risulta essere sottoposto al passaggio della corrente elettrica che da luogo a fenomeni elettrofisiologici variabili le cui conseguenze possono essere a volte anche ltlifi letali fino alla morte. In Italia muoiono per infortuni elettrici centinaia di persone l'anno e il caso più ricorrente è proprio il contatto diretto, rappresentante ben due terzi del totale, particolarmente su prese a spina e condutture. In altre parole, l uomo, in presenza di contatto elettrico diretto o indiretto, risulta essere parte integrante dell impianto elettrico e come tale offre una propria resistenza elettrica, sottoposta ad una certa differenza di potenziale (tensione di contatto) e attraversato da una certa corrente.

78 Contatti diretti e indiretti Contatto DIRETTO Contatto INDIRETTO Contatto diretto: contatto con parti metalliche normalmente in tensione. Tale contatto generalmente risulta non intenzionale ma non è da escludere, a volte, la volontarietà da parte di persone non professionalmente addestrate o competenti in materia. Contatto indiretto: contatto con parti normalmente non in tensione ma che possono, in caso di guasto o cedimento dell'isolamento, trovarsi in tensione; è il tipico caso dell'involucro metallico di un elettrodomestico o dell'impugnatura di un untensile elettrico portatile, ecc. Per il contatto indiretto non ha alcun senso parlare di volontarietà da parte di un mal capitato.

79 Effetti Fisiopatologici della corrente La corrente elettrica, attraversando il corpo umano, produce effetti che possono essere dannosi, fino a portare alla morte, a seconda del dlvalore della dll intensità ità della corrente, della frequenza e del tempo di contatto: Tt Tetanizzazione i dei dimuscoli: i muscoli (anche quelli che presiedono id alla respirazione) rimangono contratti, indipendentemente dalla volontà della persona. Fibrillazione ventricolare: il cuore perde la sua capacità di contrarsi ritmicamente e non è più in grado di assicurare la circolazione sanguigna. Ustioni: il passaggio della corrente elettrica produce dissipazione di energia per effetto Joule e conseguente incremento della temperatura. Le ustioni iprodotte risultano particolarmente dannose in quanto interessano anche i tessuti interni del corpo

80 CURVA DI SICUREZZA CORRENTE TEMPO Zona 1 Se la corrente (valore efficace) è Curva di sicurezza della corrente elettrica in inferiore alla soglia di percezione (0.5 regime di corrente alternata con una ma) il fenomeno non viene percepito frequenza compresa tra 15 e 100 Hz. Zona 2 Se la corrente è inferiore alla soglia di tetanizzazione (10 ma) la persona riesce a sottrarsi volontariamente al contatto senza conseguenze evitando effetti dannosi. Zona 3 Se la corrente supera la soglia di tetanizzazioneilcontatto il deveessereessere interrotto da un dispositivo esterno prima di un tempo limite, individuato dalla curva di sicurezza, affinchè la persona non abbia conseguenze (tetanizzazione e disturbi reversibili al cuore, aumento della pressione sanguigna, difficoltà respiratorie). Zona 4 si può arrivare alla fibrillazione ill i ventricolare e alle ustioni.

81 La resistenza del corpo umano La resistenza it elettrica ltti offerta dl dal corpo umano, al passaggio dll della corrente elettrica, ltti dipende dal tipo di contatto e da una serie di altri fattori quali: Condizioni fisiche generali Abbigliamento Callosità delle mani Umidità. R uomo =1 5 kω Resistenza corpo umano Valore medio: R uomo =3 kω Tensioni pericolose: V>45 V

82 IMPIANTO DI TERRA SCOPO DELL IMPIANTO DI TERRA: 1) Offrire una via di ritorno alle correnti di guasto diversa da quella offerta dal corpo umano 2) Determinare l intervento delle protezioni in tempi opportuni 3) Rendere equipotenziali strutture metalliche suscettibili di essere toccate contemporaneamente.

83 IMPIANTO DI TERRA Dispersore di terra Resistenza di terra

84 Tensione di passo Tensione che può risultare applicata tra i piedi di una persona a distanza di un passo durante (1 m) un cedimento dell isolamento Tempo eliminazione del guasto [s] Tensione massima di passo [V] > <

85 Classificazione dei sistemi di distribuzione dell energia elettrica In ITALIA: Sistema TT Si hanno correnti di guasto a terra dell'ordine di qualche ampere, o, al massimo, di qualche decina di ampere. Il sistema TT è inoltre caratterizzato dal pericolo che il neutro vada in tensione sia per guasti in cabina che per effetto di tutte le correnti di dispersione delle utenze servite.

86 SICUREZZA ELETTRICA NEGLI IMPIANTI DI DISTRIBUZIONE DELLA ENERGIA ELETTRICA IN BT n a) b) n i g i g La distribuzione della energia elettrica in BT viene fatta mediante linee elettriche trifase (V c = 380 V) col filo fl neutro collegato a terra. Si definisce massa ogni conduttore, accessibile dalle persone, che è separato dai conduttori attivi dall isolamento principale e che quindi normalmente non è in tensione rispetto al terreno, ma va in tensione quando si rompe l isolamento l principale. i Il contatto di una persona con un conduttore in tensione, con conseguente elettrocuzione, può avvenire, con una massa, in presenza della rottura dell isolamento principale (contatto indiretto, figura a) o direttamente con i conduttori attivi (contatto diretto, figura b)

87 Contatto indiretto con massa non a terra

88 Contatto indiretto con massa a terra

89

90 PROTEZIONE DAI CONTATTI INDIRETTI: n V c 3 + i g R T R P i P relè differenziale R N i T R PT i g i i g T i P R P = resistenza della persona R PT = resistenza di terra della persona R N = resistenza di terra del neutro R P ed R PT dipendono dalla persona La protezione dai contatti indiretti, secondo la norma CEI 64 8, si realizza mediante: Installazione di un interruttore differenziale con corrente di intervento differenziale non superiore a 30 ma. Collegamento a terra di tutte le masse del sistema. Coordinamento dei valori della resistenza di terra e della corrente di intervento differenziale dell interruttore.