INDICE SOMMARIO Capitolo 1 Note introduttive agli impianti elettrici... pag. 1 1.1 Cenni storici e definizioni.......» 1 1.1.1 Importanza del vettore elettrico.....» 2 1.1.2 Evoluzione concettuale dell impianto elettrico....» 3 1.2 Struttura del sistema elettrico italiano.......» 5 1.3 Caratteristiche dei carichi elettrici...» 10 1.3.1 Premessa.........» 10 1.3.2 Richiesta o domanda ( demand ) di carico (o potenza richiesta)........» 11 1.3.3 Curva di durata del carico ( load-duration curve )....» 13 1.3.4 Fattore di utilizzazione della potenza installata ( utilization factor )....» 13 1.3.5 Fattore di carico ( load factor ) (medio).......» 13 1.3.6 Fattore di contemporaneità ( coincidence factor ).....» 14 1.3.7 Fattore di perdita ( loss factor ).............» 18 1.3.8 Previsione dei fabbisogni di potenza..........» 19 1.4 Prospettive per l impiantistica elettrica......» 19 Approfondimento 1 - Struttura delle reti elettriche....» 20 Riferimenti bibliografici....» 23 Capitolo 2 Le linee elettriche aeree...» 25 2.1 Generalità: costituzione di una linea elettrica aerea.....» 25 2.2 I conduttori delle linee elettriche aeree......» 25 2.3 I sostegni per linee aeree....» 28 2.4 Gli isolatori nelle linee elettriche aeree......» 30 2.5 Le fondazioni per i sostegni......» 30 2.6 Le costanti chilometriche della linea....» 30 2.7 L effetto corona e i conduttori a fascio......» 31 2.8 Calcolo della resistenza chilometrica r....» 32 2.9 Calcolo dell induttanza chilometrica longitudinale L....» 32 2.9.1 Coefficiente di autoinduzione attribuibile al conduttore in una linea monofase» 32 2.9.2 Coefficienti fittizi di autoinduzione di un conduttore in una linea ad n fili paralleli..........» 35 2.9.3 Coefficiente di autoinduzione in una linea trifase con struttura simmetrica» 36 2.9.4 I coefficienti di auto e mutua induzione in una linea a tre conduttori paralleli disposti su un piano......» 36 2.9.5 L induttanza di esercizio di una linea trifase dissimmetrica con trasposizione delle fasi......» 37 2.9.6 Linea a due terne in parallelo.....» 40 2.9.7 Linee con conduttori a fascio ( bundled conductors)........» 41 2.10 Le capacità parziali e la capacità di esercizio....» 43 2.10.1 Le capacità parziali............» 43 2.10.2 Le capacità oblique e la capacità di esercizio.....» 45 2.10.3 Esempi di calcolo.............» 47 2.10.3.1 Esempio di una linea di MT (20 kv) senza funi di guardia....» 47 2.10.3.2 Esempio di una linea di AT (220 kv) con una fune di guardia» 48 2.10.4 La capacità di esercizio delle linee trasposte; il calcolo approssimato per linee di MT non trasposte........» 49 2.11 Calcolo della conduttanza chilometrica trasversale g....» 50 2.11.1 Perdite per dispersione negli isolatori..........» 51 2.12 La modellizzazione delle linee aeree di MT e BT.......» 51
VIII IMPIANTI ELETTRICI Approfondimento 1 - La portata delle linee aeree costituite da corde (conduttori nudi).... pag. 52 Approfondimento 2 - Introduzione al calcolo multiconduttore per sistemi dissimmetrici....» 54 Riferimenti bibliografici....» 58 Capitolo 3 Gli isolatori....» 61 3.1 Considerazioni introduttive.......» 61 3.2 Caratteristiche elettriche degli isolatori.......» 63 3.3 Caratteristiche meccaniche e chimiche degli isolatori....» 64 3.4 Sollecitazioni elettriche.....» 64 3.5 Sollecitazioni meccaniche.....» 65 3.6 Prove e norme sugli isolatori......» 65 3.7 La ripartizione della tensione in una catena di isolatori a sospensione....» 66 3.8 Tipi di isolatori.....» 70 3.8.1 Isolatori rigidi (a perno)......» 70 3.8.2 Isolatori Hewlett...........» 71 3.8.3 Isolatori a cappa e perno (nel gergo elettrico ca-perno )...........» 71 3.8.4 Isolatori a bastone..........» 73 3.8.5 Isolatori compositi..........» 74 3.9 Isolatori portanti.......» 74 3.10 Isolatori passanti.......» 75 3.11 Isolatori passanti a condensatore.....» 76 Approfondimento 1 - Le linee compatte....» 78 Approfondimento 2 - Interventi di manutenzione su linee aeree....» 82 Riferimenti bibliografici....» 83 Capitolo 4 Le linee elettriche in cavo....» 85 4.1 Introduzione....» 85 4.2 Struttura di un cavo monopolare a campo radiale.......» 85 4.3 Struttura di un cavo tripolare.....» 88 4.4 Modalità di posa dei cavi.....» 89 4.5 Livelli di tensione e designazione delle condutture in cavo....» 93 4.6 Calcolo delle costanti primarie delle condutture in cavo....» 95 4.6.1 Calcolo della resistenza chilometrica longitudinale r.......» 96 4.62. Calcolo dell induttanza d esercizio L e....» 99 4.6.3 Calcolo della capacità d esercizio c e....» 101 4.6.4 Calcolo della conduttanza trasversale g......» 101 4.7 Problemi relativi all esercizio di linee in cavo in corrente alternata.....» 103 4.7.1 L effetto Ferranti e l energizzazione di condutture in cavo..........» 103 4.8 I regimi termici nei cavi....» 105 4.8.1 Il regime continuo (la portata o ampacity di un cavo).....» 108 4.8.2 Il regime adiabatico conseguente al guasto di un cavo.....» 109 4.9 Criteri di dimensionamento delle linee in cavo....» 112 Approfondimento 1 - Gli elettrodotti blindati o gas insulated lines (GIL)....» 113 Approfondimento 2 - Il rapporto tra la resistenza in corrente alternata e quella in corrente continua r ca /r cc...» 120 Approfondimento 3 - Cenni al calcolo dell ampacity secondo la norma IEC 60287....» 122 Riferimenti bibliografici....» 123 Capitolo 5 Dimensionamento delle condutture elettriche...» 125 5.1 Generalità....» 125 5.2 La resistività elettrica del conduttore di fase....» 125 5.3 Criteri di progetto e di verifica....» 126 5.4 Metodi approssimati.....» 128 5.4.1 Linea (tratta) alimentata da una sola estremità, detta linea a sbalzo in c.c.» 128 5.4.2 Linea (tratta) alimentata alle due estremità in c.c. con tensioni uguali...» 132 5.4.3 Linea (tratta) alimentata alle due estremità in c.c. con tensioni diverse..» 133 5.5 Rete diramata alimentata ad una estremità in c.c........» 134 5.6 Reti magliate....» 135 5.7 Calcolo delle cadute di tensione in una linea in corrente alternata....» 137 5.8 Considerazioni sulla caduta industriale di tensione per linee trifase in c.a......» 140 5.9 Dimensionamento di una linea (tratta) a sbalzo in c.a.....» 140
INDICE SOMMARIO IX 5.10 Dimensionamento di una linea (tratta) in c.a. alimentata da due estremità.... pag. 143 5.11 Dimensionamento di una linea diramata in c.a.....» 144 Riferimenti bibliografici....» 144 Capitolo 6 I trasformatori di potenza nei sistemi elettrici per l energia...» 145 6.1 Introduzione....» 145 6.2 Identificazione dei trasformatori di potenza....» 145 6.3 Identificazione dei parametri dei trasformatori mediante misure....» 147 6.3.1 Prova in corto circuito..........» 147 6.3.2 Prova a vuoto......» 148 6.4 Circuito equivalente del trasformatore......» 148 6.5 Le perdite nei trasformatori e il rendimento....» 149 6.6 Classificazione dei trasformatori in base ai collegamenti interni....» 150 6.7 Classificazione dei trasformatori in base al modo di raffreddamento....» 151 6.8 Principali tipologie costruttive dei trasformatori.......» 152 6.8.1 Trasformatori in olio...........» 153 6.8.2 Trasformatori a secco...........» 154 6.8.3 Classificazione dei trasformatori a secco in relazione all ambiente e all ipotesi di incendio...........» 154 6.8.4 Controlli da effettuare su trasformatori inglobati in resina.....» 156 6.9 La corrente di inserzione dei trasformatori.....» 157 6.10 Le protezioni dei trasformatori....» 159 6.11 Il funzionamento in parallelo dei trasformatori....» 162 6.11.1 Analisi delle condizioni di parallelo...........» 163 6.11.2 Analisi dello scostamento dalla condizione ideale di parallelo nel caso di diverse tensioni di corto circuito.............» 165 6.11.3 Analisi dello scostamento dalla condizione ideale di parallelo nel caso di trasformatori con diverso rapporto di trasformazione.........» 166 6.12 Rendimento dei trasformatori....» 169 6.13 Trasformatori d isolamento......» 172 Approfondimento 1 - I trasformatori di misura....» 172 Riferimenti bibliografici....» 177 Capitolo 7 Il comportamento alle sequenze dei componenti la rete...» 179 7.1 Nozioni sui componenti simmetrici inerenti ai sistemi elettrici per l energia....» 179 7.2 Bipolo alla sequenza diretta......» 181 7.3 Bipolo alla sequenza inversa.....» 183 7.4 Bipolo alla sequenza omopolare o zero......» 184 7.5 Matrici delle impedenze alle sequenze e alle fasi.......» 185 7.6 Cenni del comportamento alle sequenze dei generatori sincroni.....» 186 7.7 Cenni del comportamento alle sequenze dei motori asincroni.....» 188 7.8 Comportamento alle sequenze dei trasformatori.......» 189 7.8.1 Trasformatori senza collegamento al neutro, o senza neutro....» 189 7.8.2 Trasformatori a flussi vincolati, con collegamento YNyn......» 190 7.8.3 Trasformatori a flussi vincolati, con collegamento Yyn........» 191 7.8.4 Trasformatori a flussi vincolati, con collegamento Dyn........» 192 7.8.5 Trasformatori a flussi non vincolati...........» 193 7.8.6 Valori delle impedenze dei trasformatori assunti a livello internazionale» 193 7.9 Comportamento alle sequenze delle linee elettriche aeree....» 194 7.9.1 Linea aerea trifase di alta e altissima tensione....» 194 7.9.2 Linea aerea trifase di media tensione..........» 196 7.9.3 Linea aerea trifase di bassa tensione con neutro.............» 197 7.10 Comportamento alle sequenze delle linee elettriche in cavo.......» 198 7.10.1 Cavi di BT dotati di neutro trascurando la presenza degli schermi metallici....» 199 7.10.2 Cavi di MT e di AT, AAT in solid-bonding.....» 200 Riferimenti bibliografici....» 201 Capitolo 8 Guasti nelle reti trifase simmetriche....» 203 8.1 Studio dei guasti nelle reti trifase simmetriche....» 203 8.2 Corto circuito fra fase e terra (o neutro) o corto circuito monofase....» 203 8.2.1 Corto circuito fra fase e terra (o neutro) o corto circuito monofase in presenza di tensione a vuoto non simmetrica.....» 205
X IMPIANTI ELETTRICI 8.3 Corto circuito fase-fase o bifase..... pag. 205 8.4 Corto circuito fase-fase-terra (o neutro) o bifase-monofase.....» 207 8.5 Corto circuito trifase....» 208 8.6 Corto circuiti non netti....» 209 8.6.1 Corto circuito non netto monofase........» 209 8.6.2 Guasto bifase non netto......» 211 8.6.3 Guasto bifase-monofase non netto.........» 212 8.6.4 Carichi squilibrati..........» 213 8.7 Interruzioni non simmetriche nelle reti trifase simmetriche.....» 215 8.7.1 Interruzione di un conduttore di fase.......» 215 8.7.2 Interruzione dei conduttori su due fasi......» 217 8.8 La dinamica del corto circuito.....» 218 8.9 Cenni agli aspetti normativi del calcolo delle correnti di corto circuito....» 225 Approfondimento 1 - Le impedenze alle sequenze della rete di alimentazione....» 228 Approfondimento 2 - Corrente di corto circuito trifase minima nel caso di più condutture in cavo in parallelo....» 228 Approfondimento 3 - La distribuzione nella rete di correnti di corto circuito....» 229 Riferimenti bibliografici....» 234 Capitolo 9 Lo stato del neutro nei sistemi trifase...» 235 9.1 L importanza dello stato del neutro nei sistemi elettrici per l energia.....» 235 9.2 Sovratensioni sostenute alla frequenza di esercizio dovute a corto circuito monofase» 238 9.3 Lo stato del neutro dei grandi generatori sincroni.......» 241 Riferimenti bibliografici....» 242 Capitolo 10 Le protezioni per i sistemi elettrici di distribuzione...» 243 10.1 Generalità sulle protezioni.....» 243 10.2 Classificazione delle protezioni....» 243 10.3 Una classica protezione ad azione diretta: il fusibile.....» 246 10.4 Una classica protezione ad azione combinata: il relè magneto-termico.....» 249 10.5 La protezione differenziale di macchina (generatori e trasformatori)....» 250 10.6 Uso combinato di fusibili e interruttori automatici di tipo magneto-termico....» 253 10.7 Protezione di una conduttura in cavo mediante fusibile e mediante protezione magneto-termica.......» 254 10.8 La selettività delle protezioni......» 255 10.8.1 La selettività amperometrica.............» 256 10.8.2 La selettività cronometrica....» 257 Riferimenti bibliografici....» 258 Capitolo 11 Le cabine elettriche nei sistemi elettrici di distribuzione...» 259 11.1 Classi d utenza, tipologia cabine, caratteristiche e schemi elettrici....» 259 11.1.1 Cabina con un solo trasformatore.........» 263 11.1.2 Cabina con due trasformatori di cui uno di riserva all altro..........» 263 11.1.3 Cabina con due trasformatori che funzionano su sbarre separate del sistema di I categoria cioè sulla BT....» 264 11.1.4 Cabina con due trasformatori che funzionano in parallelo sulla stessa sbarra....» 264 11.1.5 Cabina alimentata da due linee in entra-esce su rete ad anello........» 264 11.1.6 Cabina alimentata da due linee alimentate da sorgenti diverse........» 265 11.2 Modalità costruttive delle cabine elettriche....» 266 11.3 Cabine elettriche del distributore....» 266 11.4 I posti di trasformazione su palo (P.T.P.).....» 266 11.5 Blocchi e interblocchi.....» 268 11.5.1 Tipi di blocchi............» 268 11.5.2 Applicazioni degli interblocchi...........» 269 Riferimenti bibliografici....» 270 Capitolo 12 La messa a terra...» 271 12.1 Generalità....» 271 12.1.1 Terra di protezione.........» 271
INDICE SOMMARIO XI 12.1.2 Terra di funzionamento......... pag. 271 12.1.3 Terra di riferimento............» 272 12.1.4 Terra di schermo....» 272 12.1.5 Terra per la protezione contro le fulminazioni (scariche atmosferiche)..» 272 12.2 Costituzione di un impianto di messa a terra....» 272 12.3 Grandezze caratteristiche.....» 274 12.4 Determinazione delle grandezze elettriche....» 278 12.4.1 Verifica di impianti esistenti......» 278 12.4.2 Calcoli di progetto.............» 280 12.4.3 La resistività del terreno.........» 280 12.4.4 Vasca elettrolitica.............» 280 12.5 Normativa tecnica....» 281 12.6 Dimensionamento dell impianto di messa a terra.......» 281 12.6.1 Dispersore........» 281 12.6.2 Conduttore di protezione........» 284 12.6.3 Conduttori equipotenziali........» 287 12.6.4 Conduttore di terra............» 287 12.6.5 Collettore (o nodo) principale di terra.........» 287 12.7 Unicità dell impianto di terra.....» 288 12.8 Sistemi di I a categoria non totalmente compresi nell area dell impianto di terra..» 289 Riferimenti bibliografici....» 291 Capitolo 13 Sistemi di distribuzione in bassa tensione...» 293 13.1 Introduzione....» 293 13.2 Sistema di distribuzione in bassa tensione di tipo TT....» 297 13.2.1 Sicurezza elettrica nei sistemi TT.............» 298 13.2.1.1 Protezione per messa a terra delle masse.......» 298 13.2.1.2 Protezione per messa a terra delle masse e interruzione automatica del circuito guasto con dispositivi di massima corrente» 300 13.2.1.3 Protezione per messa a terra delle masse e interruzione automatica del circuito guasto con dispositivi di massima corrente differenziale...........» 302 13.2.1.4 Possibili situazioni critiche per la sicurezza nei sistemi TT.....» 303 13.2.1.5 Il ruolo dei collegamenti equipotenziali nei sistemi TT......» 304 13.2.1.6 Sintesi dei provvedimenti protettivi contro contatti indiretti nei sistemi di distribuzione di tipo TT...........» 306 13.2.1.7 Ulteriori provvedimenti relativi ai sistemi TT.............» 306 13.3 Sistemi di distribuzione in bassa tensione di tipo TN....» 307 13.3.1 Sicurezza elettrica nei sistemi TN............» 308 13.3.1.1 Protezione per messa a terra delle masse e dispositivo di massima corrente....» 310 13.3.1.2 Protezione per messa a terra delle masse e dispositivo di massima corrente differenziale....» 312 13.3.1.3 Protezione per messa a terra delle masse e dispositivi di massima corrente e differenziali nei sistemi TN-C......» 313 13.3.1.4 Protezione per messa a terra delle masse e dispositivi di massima corrente e differenziali nei sistemi TN-C-S.....» 314 13.3.1.5 Possibili situazioni critiche per la sicurezza nei sistemi TN....» 314 13.3.1.6 Problemi dei sistemi TN legati alla rete di alimentazione in media tensione....» 318 13.3.2 Sintesi dei provvedimenti protettivi contro contatti indiretti nei sistemi di distribuzione di tipo TN.........» 320 13.4 Sistemi di distribuzione in BT di tipo IT....» 321 13.4.1 Sicurezza elettrica nei sistemi IT.............» 321 13.5 Interruzione, sezionamento e protezione nei sistemi di distribuzione in bassa tensione.....» 324 13.6 Particolari sistemi di distribuzione in bassa tensione adottabili in ragione di specifiche esigenze di sicurezza....» 325 13.6.1 Sistema di protezione per separazione elettrica.............» 325 13.6.2 Sistemi a bassissima tensione di sicurezza (BTS)............» 325 13.6.2.1 Ulteriori particolarità del sistema SELV.......» 326 13.6.2.2 Ulteriori particolarità del sistema PELV.......» 327 13.6.2.3 Il sistema FELV........» 327
XII IMPIANTI ELETTRICI Approfondimento 1 - Principali definizioni relative alla sicurezza e ai sistemi di distribuzione in bassa tensione..... pag. 328 Approfondimento 2 - Nozioni di sicurezza elettrica....» 337 Riferimenti bibliografici....» 344 Capitolo 14 Il rifasamento negli impianti elettrici industriali...» 345 14.1 L importanza del fattore di potenza....» 345 14.1.1 Le penali tariffarie e la potenza reattiva di un banco di condensatori di rifasamento.....» 346 14.1.2 Modalità costruttive dei condensatori e dei banchi di condensatori di rifasamento.....» 348 14.2 Tipi di rifasamento.....» 348 14.2.1 Il rifasamento distribuito.....» 348 14.2.1.1 Il rifasamento delle lampade a scarica.....» 349 14.2.1.2 Il rifasamento dei motori asincroni.......» 349 14.2.1.3 Il rifasamento dei trasformatori MT/BT..........» 352 14.2.2 Il rifasamento per gruppi.....» 353 14.2.3 Il rifasamento misto.........» 354 14.2.4 Il rifasamento centralizzato....» 354 14.3 Sistemi di rifasamento con frazionamento delle batterie di condensatori.......» 354 14.4 I collegamenti dei banchi trifase di condensatori....» 356 14.5 Le resistenze di scarica.....» 356 14.6 Problemi di inserzione e disinserzione.......» 357 14.7 Il problema delle armoniche......» 358 14.8 L aumento di tensione dovuto all inserimento dei banchi di condensatori di rifasamento....» 363 14.9 Dimensionamento dei cavi di alimentazione e scelta delle protezioni....» 363 14.10 La compensazione elettronica continua della potenza reattiva......» 363 14.11 Criteri d installazione e manutenzione.......» 365 14.12 Norme di riferimento.....» 365 14.13 Esempio di rifasamento automatico e calcolo del tempo di ritorno dell investimento....» 365 Riferimenti bibliografici....» 366