GENERALITA SUI SISTEMI ELETTRICI Appunti a cura dell Ing. Emanuela Pazzola Tutore del corso di Elettrotecnica per meccanici, chimici e biomedici A.A. 2005/2006 Facoltà d Ingegneria dell Università degli Studi di Cagliari
CAPITOLO 1. GENERALITA SUI SISTEMI ELETTRICI 1. Introduzione....pag. 2 2. Costituzione del sistema elettrico per l energia......pag. 3 1
CAPITOLO 1 GENERALITA SUI SISTEMI ELETTRICI 1. Introduzione Il trasferimento dell energia elettrica dai luoghi di produzione ai punti di consumo avviene nella generalità dei casi in corrente alternata trifase. Tale scelta è dettata da un insieme di motivazioni di carattere economico e tecnico e principalmente per: la possibilità di utilizzare il trasformatore: una macchina statica estremamente semplice e robusta, che consente di adattare il valore della tensione nel sistema elettrico ai livelli più adatti alla produzione, trasmissione, distribuzione ed utilizzazione dell energia elettrica prodotta; la maggiore facilità che si ha nell interrompere correnti alternate, negli istanti in cui la corrente alternata si annulla; la possibilità di impiegare per la produzione dell energia elettrica il generatore sincrono, che è una macchina più affidabile delle dinamo, soprattutto nel caso in cui il motore primo è costituito da una turbina a vapore che lavora ad alte velocità; possibilità di utilizzare su larga scala i motori asincroni monofase e trifase, che sono macchine versatili, robuste con grande elasticità di funzionamento (in grado di sostenere sovraccarichi). In particolare 1. il motore trifase, a parità di carico, di tensione e di perdite consente una economia del 25% sul materiale del conduttore 2. il generatore sincrono trifase rispetto al generatore monofase garantisce maggiore stabilità di funzionamento 3. i costi del materiale conduttore delle linee trifasi é inferiori a quelli del sistema monofase. 2
È bene, però, osservare che, pur essendo gli impianti in corrente alternata trifase praticamente quelli universalmente impiegati ormai da quasi cento anni, esistono alcuni casi di importanza non trascurabile, in cui si impiegano ancora la corrente alternata monofase o gli impianti per la trasmissione in corrente continua. Ad esempio, il sistema monofase in corrente alternata trova impiego nell ambito degli impianti per la trazione elettrica e nel caso della distribuzione in bassa tensione, mentre gli impianti di trasmissione dell energia elettrica in corrente continua vengono impiegati sia quando è necessario trasmettere energia elettrica a grandi distanze, per i motivi accennati in precedenza, sia quando, dovendo attraversare il mare, si può usare quest ultimo come conduttore di ritorno, con ovvi risparmi economici. Per esempio realizzazioni di linee in corrente continua sono: la linea di trasmissione sottomarina in c.c. della rete italiana con cavo di interconnessione Sa.Co.I. (Collegamento triterminale che unisce Sardegna, Corsica e Italia Peninsulare), la linea di trasmissione sottomarina in c.c. con un cavo di collegamento tra Italia e Grecia ed la linea di trasmissione sottomarina in c.c., attualmente in via di realizzazione, con cavo sottomarino Sa.Pe.I. (Collegamento biterminale tra Sardegna e Penisola Italiana). 2. Costituzione del sistema elettrico per l energia Un sistema elettrico è generalmente composto dai seguenti sottosistemi: - Nodi di produzione: sono in pratica le Centrali Elettriche (idroelettriche, termoelettriche, etc.); - Linee di trasmissione ed interconnessione: sono collegamenti in alta ed altissima tensione, realizzati con conduttori aerei sorretti da apposite palificazioni metalliche (tralicci o sostegni) ed impiegati per trasporto della energia elettrica dai nodi di produzione ai punti di consumo. Normalmente i nodi di produzione sono pochi, con potenza prodotta concentrata. Le esigenze logistiche (esempio: per le centrali termoelettriche la necessità di favorire l approvvigionamento di combustibile in prossimità di porti di mare o fluviali e la 3
necessità di grosse quantità d acqua per il raffreddamento. Per le centrali termoelettriche la locazione delle centrali è legata alla disponibilità naturale delle fonti) Le linee di trasmissione possono essere di due tipi: a) Linee di trasmissione primarie: connettono le centrali ai nodi primari di smistamento, detti a loro volta sottostazioni di distribuzione o più semplicemente sottostazioni; Fig. 1 Traliccio per linee di trasmissione primarie b) Linee di trasmissione secondarie: partono dalle sottostazioni ed alimentano, a livello locale, la distribuzione dell energia elettrica. Le Linee di distribuzione sono collegamenti in media e bassa tensione, realizzati su palificazioni o mediante cavi sotterranei, impiegati per ripartire l energia tra i vari utilizzatori finali di tipo industriale o residenziale. La fig. 2 illustra diversi esempi di sostegni a stelo per linee di distribuzione MT. 4
Fig. 2 Sostegni a stelo: a) Palo in legno per linea 15 kv e telefonica di servizio; b) Palo in cemento armato centrifugato per linea 15 kv e telefonica di servizio; c) Palo in acciaio tubolare per linea 15 kv e telefonica di servizio;d) Palo in cemento armato centrifugato per linea 60 kv. I sistemi elettrici delle singole nazioni europee e mondiali sono in gran parte interconnessi tra loro sia per garantire una maggiore stabilità e qualità del servizio, sia per consentire la continuità di servizio attraverso continui scambi di energia regolati da complessi regimi economici. Per consentire tali interconnessioni, è stato necessario standardizzare i valori delle grandezze elettriche, come la tensione e la frequenza. In ambito europeo la frequenza di rete è pari a 50Hz. La variazione massima consentita (1%) per il corretto funzionamento di generatori ed utilizzatori è assicurata attraverso il costante controllo delle produzioni e dei consumi a livello nazionale dai singoli TSO (Transmission System Operators) ed a livello internazionale da un Coordinatore Centrale Europeo (UCTE). La scelta del livello di tensione adeguato per ognuno dei sottosistemi descritti (dalla produzione alla distribuzione) è anch esso uniformato a livello internazionale, e dipende da motivazioni tecnico-economiche (uniformità e standardizzazione dei valori commerciali). 5
Inoltre poiché la potenza elettrica in transito su una determinata linea è proporzionale al prodotto tra il valore della tensione nominale e della corrente nominale che la attraversa: P (MW) α V (V) * I (A) per ottenere un elevato rendimento di trasmissione dell energia elettrica, occorre ridurre quanto più possibile le perdite di trasmissione che possono essere di due tipi: a) Perdite per effetto Joule, direttamente proporzionali al quadrato della corrente che percorre la linea; b) Perdite per effetto corona, direttamente proporzionali alla tensione di linea. Dalla relazione precedente si evince che a parità di potenza trasmessa, aumentando la tensione, si ottiene una diminuzione dell intensità della corrente di linea proporzionale alle perdite per effetto Joule. Nelle centrali elettriche l energia elettrica viene prodotta con valori di tensione compresi tra 6 ed i 12 kv, che per la trasmissione della energia vengono innalzati a di 380 kv mediante l utilizzo di appositi trasformatori elevatori di tensione. Per questo motivo nelle lunghe linee di trasmissione primarie e secondarie utilizzate per il trasporto di ingenti potenze, le tensioni di esercizio sono le più alte possibili. I valori standard europei sono 400-380kV (Linee ad Altissima Tensione, o AAT) e 220-150kV (Linee ad Alta Tensione o AT). Il livello di tensione in MT è in via di unificazione su tutto il territorio nazionale al valore di 20 kv (a tutt oggi esistono anche linee MT con V = 10-15 kv). Le zone abitate sono interconnesse alla rete principale di trasmissione attraverso linee di distribuzione in Media Tensione (MT), che fanno capo alle varie stazioni di conversione (cabine di trasformazione MT/BT). Infine attraverso le sottostazioni MT/BT avviene il collegamento alle linee a bassa tensione (BT) nelle quali i livelli di tensione sono rispettivamente uguali a 380 V trifase e 220V monofase. La fig. 3 illustra uno schema semplificato della rete di produzione, trasmissione e distribuzione dell energia elettrica. 6
In essa, per semplicità si è rappresentata un unica centrale di produzione, e sebbene si tratti di un sistema di tipo trifase, si è adottata una rappresentazione di tipo unifilare. Fig. 3 Schema semplificato della rete di produzione, trasmissione e distribuzione. 7