ELETTROTECNICA Laurea Ing. Aerospaziale - 1 livello CENNI DI IMPIANTI ELETTRICI Prof. M.S. Sarto
Sistema elettrico Un sistema elettrico può essere: Circuito alimentato da un accumulatore (ad esempio: l impianto elettrico di un automobile, un riproduttore audio portatile) Struttura di grandi dimensioni ed estremamente complessa l Europa è coperta da un unica rete elettrica funzionante in regime sinusoidale a 50 Hz In tal caso il sistema elettrico svolge fondamentalmente tre funzioni: generazione di potenza elettrica trasmissione e regolazione della potenza distribuzione della potenza agli utilizzatori
Sistema elettrico Un sistema elettrico di produzione, trasmissione e distribuzione dell'energia elettrica consta schematicamente dei seguenti elementi: - Impianti di produzione -Linee di trasmissione AT; - Stazioni primarie; - Linee di distribuzione AT; - Cabine primarie; - Linee di distribuzione MT; - Cabine secondarie; - Linee di distribuzione BT
Sistema elettrico
CLASSIFICAZIONE DEGLI IMPIANTI ELETTRICI CATEGORIA LIVELLO TENSIONE A.C. LIVELLO TENSIONE D.C. 0 BT: Vn 50 V BT: Vn 120 V 1 BT: 50 V Vn 1000 V 2 MT: 1 kv Vn 30 kv 3 AT: Vn 30 kv (AAT: Vn 50 kv) BT: 120 V Vn 1500 V MT: 1.5 kv Vn 30 kv AT: Vn 30 kv (AAT: Vn 50 kv)
SCHEMA DI IMPIANTO ELETTRICO MT MT MT/AT AT AT/MT G Generazione in MT (10-15 kv) Trasmissione in AT (220-380 kv) Distribuzione in AT (50-150 kv) o MT MT/BT MT/BT BT BT Utilizzazione in MT o BT
CENTRALI DI PRODUZIONE DELL ENERGIA ELETTRICA IDROELETTRICHE TERMOELETTRICHE TERMONUCLEARI GEOTERMOELETTRICHE EOLICHE SOLARI
Vapore, gas, acqua Generazione E necessaria una conversione dell energia Regolatore Misure locali Comandi remoti Si utilizza una turbina (esclusione dell energia solare) sul cui albero è calettato un generatore sincrono, detto alternatore, che genera potenza elettrica in regime sinusoidale e trifase La tensione concatenata è dell ordine delle decine di kv Il regolatore agisce sia sulla turbina, sia sull alternatore per mantenere ai morsetti del generatore la tensione e la frequenza voluta, nonché la potenza necessaria. In genere i gruppi generatori sono del tipo monoblocco: turbinageneratore sincrono-trasformatore elevatore. Ciascuna centrale comprende quasi sempre due o più gruppi eserciti in parallelo sulle sbarre di alta tensione (AT).
CENTRALI IDROELETTRICHE TURBINA RISORSA CARATTERISTICA Kaplan Acqua fluente Bassa velocità (p elevato) Francis Pelton Bacino idroelettrico (bassa caduta) Bacino idroelettrico (alta caduta) Media velocità Alta velocità (p=1,2)
Reti di Trasmissione La trasmissione della potenza avviene quasi sempre con un sistema trifase. A valle dei generatori è posta una cabina di trasformazione che eleva il livello di tensione concatenata a 220 kv o 380 kv (esigenze tecniche legate alla necessità di trasferire potenze elevate con correnti limitate, e di economicità di gestione). Le linee di trasmissione sono in Alta Tensione (AT): possono essere del tipo aereo o, più raramente, in cavo. Effettuano la trasmissione su lunghe distanze (100-1000 km). La rete di trasmissione è una rete magliata, alimentata da molti generatori, in modo che sia possibile garantire comunque l alimentazione anche in caso di guasto di un generatore o di una linea. I lati della rete sono le linee di AT. I nodi sono le stazioni primarie.
Reti di Subtrasmissione Ricevono l energia dai nodi della rete di trasmissione generalmente attraverso degli autotrasformatori. Sono esercite a varie tensioni normalizzate inferiori a 220 kv. La rete è di tipo magliato (può essere anche radiale). L estensione può essere a livello regionale, provinciale o anche comunale nei grandi centri (10-100 km) La potenza trasportata: 10-100 MW.
Reti di Distribuzione a MT Originano dalle stazioni AT/MT e alimentano le reti di distribuzione a bassa tensione (BT), tramite numerose cabine MT/BT. Le tensioni di esercizio sono comprese fra i 6 kv e i 35 kv. La configurazione varia in relazione alla densità di carico: Schemi radiali Configurazioni ad anello Configurazioni magliate ad esercizio radiale Il raggio d azione dipende dalle densità di carico: 1-3 km nelle città importanti; massimo di 50 km in zone rurali e poco popolate. La potenza trasportata: 0.1-10 MW.
Reti di Distribuzione a BT Realizzano l ultima fase della distribuzione fino alla consegna a piccole utenze. Tensioni normalizzate a 230 V /400 V. Le reti BT sono alimentate da cabine MT/BT non presidiate. Raggio d azione: 100 m (reti urbane radiali in cavo) / 1 km (linee rurali a 400 V) Configurazioni: ad albero / magliate (in grandi centri urbani)
Strutture di reti Strutture aperte - reti radiali (ad albero) - reti dorsali - reti dorsali/radiali
Strutture di reti Strutture chiuse - reti ad anello - reti magliate (a più anelli)
Linee elettriche: linee aeree Conduttore nudo
Linee elettriche: linee in cavo Le linee in cavo sono impiegate nelle linee di trasmissione e negli impianti in media e bassa tensione; possono essere in posa sotterranea o sottomarina, principalmente, od anche aerea. I cavi sono realizzati con: uno o più conduttori, che servono per il trasferimento dell'energia; un isolante solido, che circonda il conduttore e che garantisce l isolamento; una guaina di protezione. Possono, poi, essere presenti una armatura di protezione meccanica e opportuni schermi costituiti da materiale semiconduttore o metallico, necessari ad uniformare il campo elettrico all interno del materiale isolante
Pochi utilizzatori in AT Utilizzazione Più comuni sono gli utilizzatori direttamente alimentati in MT Le linee a MT fanno capo a cabine di trasformazione da cui partono le linee di utilizzazione in bassa tensione (BT): Linee trifase a 4 conduttori (con neutro) e con tensione concatenata pari a 400 V Gli utilizzatori in BT si possono suddividere in: Trifasi: per potenze relativamente elevate (decine di kva), alimentati con tensione concatenata di 400 V Monofasi: per potenze modeste, alimentati tra fase e neutro alla tensione stellata di 230 V
SOVRATENSIONI Sovratensioni longitudinali: anormali aumenti della differenza di potenziale fra due punti fisicamente vicini di uno stesso conduttore (esempio: tra le spire di un avvolgimento). Sovratensioni trasversali: anormali aumenti del potenziale degli elementi di un circuito rispetto alla terra o fra conduttori di fasi diversa del sistema.
SOVRATENSIONI CAUSE INTERNE Manovre sugli impianti (apertura o chiusura di interruttori) Improvvisa riduzione del carico Risonanze Contatti accidentali con altro impianto in esercizio a tensione maggiore
CAUSE ESTERNE Fenomeni di origine atmosferica (fulminazione diretta o indiretta) i(t) I M 0.9 I M i t I exp t T exp t 0 e T f 0.5 I M I 0 = 10-200 ka T f = 0.5 1.5 s 0.1 I M T e = 50-100 s T f T e time [ s]
Il fulmine FULMINE DISCENDENTE (polarità negativa) leader Return stroke
FULMINE ASCENDENTE (polarità negativa) leader Return stroke
I M : corrente di picco (di/dt) di/dt) M : tangente massima T f : tempo di salita all emivalore T e : tempo I M I tˆ T exp tˆ T 0 exp e ln ˆ 1 t f di dt M a I0 Negative (descending) Positive First stroke Following strokes (ascending) I M [ka] 34 13.4 43 T f [ s] 8.5 1.2 33 T e [ s] 73 31 300 (di/dt) M [ka/ s] 14 39 2.6
SOVRACORRENTI 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 tra due elementi dell impiantonon equipotenziali. Le correnti di cto cto possono essere molto elevate in quanto limitate solo dall impedenza a monte del guasto.
SOVRACCARIC0 Principale effetto: - Aumento della temperatura delle parti attive rispetto alle condizioni normali di funzionamento E importante: 1) valutare la sovratemperatura finale del circuito (e.g. cavo) in funzione del sovraccarico (regime) 2) valutare il tempo che il circuito impiega a raggiungere la sovratemperatura finale (transitorio)
CORTO CIRCUITO Principali effetti: -Sollecitazione termica (riscaldamento adiabatico) -Sollecitazione meccaniche (sforzi elettrodinamici) L entità della corrente è diversa in funzione del tipo di guasto: -Trifase - Monofase (fase-fase, fase-neutro) Corrente di corto circuito massima (guasto trifase a inizio linea) Corrente di corto circuito minima (guasto monofase a fine linea)
APPARECCHI DI MANOVRA E INTERRUZIONE INTERRUTTORI Manuali Automatici x x Apertura e chiusura di una linea sottocarico anche in condizioni di corto circuito
PARAMETRI CARATTERISTICI TENSIONE NOMINALE DI ESERCIZIO (Ve): tensione alla quale sono riferite le prestazioni dell apparecchio (apertura/chiusura) TENSIONE NOMINALE DI ISOLAMENTO (Vi): tensione alla quale è garantito l isolamento dell apparecchio CORRENTE NOMINALE (In): corrente che l interruttore può condurre a regime. Assume valori diversi con riferimento a servizio continuo o discontinuo.
POTERE NOMINALE DI INTERRUZIONE (Iin): corrente di corto circuito che l interruttore può interrompere ad una tensione superiore non oltre il 10% di Ve. POTERE NOMINALE DI CHIUSURA SU CORTO CIRCUITO (Icn): corrente di corto circuito sulla quale l interruttore può essere chiuso ad una tensione superiore non oltre il 10% di Ve.
CONTATTORI Manuali Automatici Interruzione delle sole correnti di normale esercizio
SEZIONATORI Manuali Automatici 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.
SEZIONATORE Sezionatore in MT con lame a coltelli
FUSIBILI Dispositivo di protezione dalle sovracorrenti: interrompe correnti di corto circuito elevate. T [s] Campo di integrità Zona di intervento I n I nf I f I cc I [A] I n : corrente nominale I nf : corrente massima di sicura non fusione I f : corrente minima di sicura fusione I cc : corrente di corto circuito
PROTEZIONE DA SOVRATENSIONI Protezione preventiva (non impedisce le sovratensioni): Schermatura con funi di guardia (per fulminazione) Principio di coordinamento degli isolamenti: Proporzionamento dell isolamento sul confronto fra capacità di tenuta dei vari elementi e sollecitazioni cui è sottoposto il dielettrico. (non economicamente vantaggioso per cause esterne) Protezione repressiva (limita le sovratensioni): Dispositivi di protezione (SPD: surge protection devices)
DISPOSITIVI DI PROTEZIONE DA SOVRATENSIONI 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 v(t)
Condizione normale di funzionamento: v(t) In presenza di sovratensione: Circuito aperto impedenza molto elevata v(t) Corto circuito impedenza molto bassa
Spinterometri Scaricatori ad asta Scaricatori a gas (Migliore controllo della tensione di intervento) Alta capacità di assorbimento dell energia della sovratensione Tensione che decresce rapidamente dopo l intervento Varistori ad ossido di metallo Tensione quasi costante sul carico in presenza della sovratensione Diodi soppressori Non possono condurre correnti elevate Tensione costante sul carico in presenza della sovratensione
Spinterometri in aria Lo spinterometro è costituito da due elettrodi metallici separati da un certo intervallo di aria e collegati in derivazione fra conduttore e terra. Presenta un impedenza elevata in assenza di sovratensione (assenza di corrente di fuga alla tensione di esercizio). Quando avviene l innesco riduce rapidamente a pochi volt la tensione ai capi. Il valore della tensione di innesco non è sempre costante perché dipende dalle condizioni di pressione, umidità e presenza di impurità nell aria. Robusto, semplice e poco costoso. Una volta adescato, non è generalmente in grado di interrompere la corrente (conseguenze mitigate dall installazione di interruttori a richiusura automatica).
Spinterometro a gas (Migliore controllo della tensione di intervento) Costituiti da due o più elettrodi metallici ermeticamente chiusi all interno di un contenitore pieno di gas: Negli spinterometri in gas la tensione d innesco risulta generalmente più costante perché la scarica avviene in un involucro protetto rispetto l ambiente. Si riduce però, rispetto ad uno spinterometro in aria, la capacità di scarica perché diventa più problematico smaltire il calore prodotto dall arco.
Le caratteristiche diverse di gas arresters, varistori e diodi soppressori possono essere combinate nella realizzazione di circuiti di protezione multistadio ~v 1 CAP 1 1k 10 10 ~v 2 ~v 3 CAP 1 P6T vv 1 v 2 V 1 v 33 UC 230 50 V 15 V 50
Sovratensione transitoria T f = 1 s T e = 50 s V M = 2.1 kv [V] 2500 2000 1500 1000 500 0 0.01 0.1 1 10 100 1000 time [ s]
v 1 tensione misurata sul primo stadio 100 V/div 100 ns/div v 3 tensione misurata sul terzo stadio 5 V/div 100 ns/div
Interruttori automatici Si costituiscono di 4 componenti fondamentali: Contatti Fissi e mobili; principali e d arco Camere di interruzione Facilitano il rapido spegnimento dell arco Rendono difficile il riadescamento Comando Elementi cinematici che trasformano l energia ad essi applicata in movimento degli elettrodi Sganciatori (Relè) Dispositivi meccanici che liberano gli organi di ritegno e consentono l apertura dell interruttore
Problema dell Arco Elettrico: soffiatura pneumatica soffiatura magnetica All'apertura di un contatto il campo elettrico presente può superare il valore di rigidità dielettrica del mezzo in cui i contatti sono immersi. Si può innescare un arco voltaico che si può mantenere anche ad un successivo aumento della distanza tra i contatti. Per effetto dell'arco il flusso di corrente non viene interrotto: - viene a mancare lo scopo dell'interruttore; - la temperatura del plasma causa il danneggiamento del dispositivo. =>importanza di una rapida estinzione dell'arco.
RELE 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 IN BASE ALLA GRANDEZZA DA ANALIZZARE: Di massima Di minima Differenziale
Esempio schematico di relè elettromagnetico Esempio schematico di relè termico a lamine bimetalliche
RELE MAGNETICO Tempo Caratteristica di intervento Tin Is = 8-10 In Corrente
RELE TERMICO Tempo Caratteristica di intervento 5 sec I 5 sec = 4 In Corrente
RELE MAGNETO-TERMICO Tempo Caratteristica di intervento Tin I s = 8-10 In Corrente
OSSERVAZIONE: I relè magnetico, termico, magnetotermico intervengono SEMPRE per corrente SUPERIORE alla corrente nominale dell 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!
RELE DIFFERENZIALE Corrente di intervento molto minore alla corrente nominale dell impianto: IMPIANTI INDUSTRIALI: I = 300 ma UTENZE DOMESTICHE: I = 30 ma UTENZE PARTICOLARI: I = 10 ma
SISTEMA DI UTILIZZAZIONE IN BT: stato nel neutro MT/BT BT Utenze monofasi o trifasi Sistema IT Sistema TT Sistema TN 1 lettera: stato del neutro del secondario del trasformatore MT/BT 2 lettera: stato delle masse delle utenze
IMPIANTI DI TERRA Norma CEI 64-8 Norma CEI 11-8 Norma CEI 81-1 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.
COMPONENTI DI UN IMPIANTO Conduttore di protezione DI TERRA Conduttori equipotenziali Conduttori di terra dispersori
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] > 2 50 1 70 0.8 80 0.7 85 0.6 125 < 0.5 160