HIGH SPEED RAILWAYS SISTEMA ENERGIA

ALTA SCUOLA POLITECNICA Progetto ITALIAN HIGH SPEED RAILWAYS SISTEMA ENERGIA MILANO 23 Novembre 2005

IMPIANTI DI TRAZIONE ELETTRICA HANNO LA FUNZIONE DI RENDERE DISPONIBILE AL MEZZO DI TRAZIONE L ENERGIA ELETTRICA PER LA LOCOMOZIONE LE CARATTERISTICHE DELLA TRAZIONE ELETTRICA CHE LA CONTRADDISTINGUONO DA ALTRE FORME DI TRAZIONE (A VAPORE, SUPERATA, ED ENDOTERMICA) SONO: TUTELA DELL AMBIENTE (SPECIALMENTE PER I TRATTI URBANI) ECONOMICITÀ (A PARTIRE DA DETERMINATI VOLUMI DI TRAFFICO) POTENZE INSTALLABILI A BORDO PIÙ ELEVATE CAPACITÀ DI TRASPORTO 2

SISTEMI DI TRAZIONE ELETTRICA GLI IMPIANTI DI TRAZIONE ELETTRICA NEL LORO INSIEME FORMANO IL SISTEMA DI TRAZIONE ELETTRICA SISTEMA A 3 kv a corrente continua Applicato alla rete tradizionale SISTEMA A 2x25 kv a corrente alternata Applicato alla rete AV/AC 3

IMPIANTI COMPONENTI DEI SISTEMI DI TRAZIONE ELETTRICA LINEE DI ALIMENTAZIONE AD ALTA TENSIONE SOTTOSTAZIONI DI TRASFORMAZIONE E DI TRASFORMAZIONE/CONVERSIONE LINEA DI CONTATTO IMPIANTI DI TELECOMANDO 4

SISTEMA ENERGIA RETE TRADIZIONALE TENSIONE 3 kv cc IN ITALIA

LINEE DI ALIMENTAZIONE AD ALTA TENSIONE HANNO LA FUNZIONE DI TRASPORTARE L ENERGIA ELETTRICA ALLE SOTTOSTAZIONI ELETTRICHE (SSE) DI TRASFORMAZIONE (SISTEMI a ca) E TRASFORMAZIONE/CONVERSIONE (SISTEMI a cc) POSTE LUNGO LE LINEE FERROVIARIE. Circa 10.000 km di elettrodotti in AT (a 66, 132, 150 e 220 kv) Interconnessioni con GRTN (Gestore della Rete di Trasmissione Nazionale), Enel Distribuzione ed altri gestori, produttori, distributori e grandi utilizzatori di energia elettrica 66 kv km 2.975 132 kv km 5.309 150 kv km 868 220 kv km 11 Totale km 9.163 6

SOTTOSTAZIONI ELETTRICHE DI TRASFORMAZIONE/CONVERSIONE HANNO LA FUNZIONE DI TRASFORMARE LA TENSIONE DELLA LINEA AT PRIMARIA E DI RADDRIZZARLA PER OTTENERE IL RICHIESTO VALORE DI CORRENTE IN TENSIONE CONTINUA SONO PERTANTO COSTITUITE DA UNA SEZIONE DI TRASFORMAZIONE E DA UNA SUCCESSIVA SEZIONE DI RADDRIZZAMENTO I GRUPPI RADDRIZZATORI (TECNOLOGIA AL SILICIO) SONO DI POTENZA UNITARIA PARI A 2,0 3,6 O 5,4 MW, IN UNA SSE CI POSSONO ESSERE 1, 2 O 3 GRUPPI Valori di tensione primaria 150-132-66 kv (alcune SSE sono alimentate direttamente dalla rete distributrice MT a 45-28-23 kv) Tensione secondaria 3 kv cc 7

SOTTOSTAZIONI ELETTRICHE DI TRASFORMAZIONE/CONVERSIONE Quantità POTENZA GRUPPI NUMERO SSE NUMERO GRUPPI (MW) POTENZA TOTALE (MW) 2,0 34 67 134 3,6 208 343 1235 5,4 109 208 1123 TOTALI 351 618 2492 8

SCHEMA ELETTRICO DI UNA SSE DI TRASFORMAZIONE/CONVERSIONE Rappresentazione schematica di un impianto di SSE 9

LINEA DI CONTATTO LA LINEA DI CONTATTO RENDE DISPONIBILE L ENERGIA AL TRENO CHE LA PRELEVA ATTRAVERSO UN ORGANO DI CAPTAZIONE (PANTOGRAFO) È COSTITUITA DA SOSTEGNI SOSPENSIONI CONDUTTURE ELETTRICHE (CATENARIA: CORDA E FILO DI CONTATTO) CIRCUITO DI RITORNO CIRCUITO DI PROTEZIONE 10

EVOLUZIONE DELLE CARATTERISTICHE Fino al 1960 v < 150 km/h Sezione 320 mmq n.1 corda portante fissa da 120 mmq Cu con tiro di 1075 dan a 15 C n.2 fili di contatto da 100 mmq Cu regolati ciascuno a 750 dan Dal 1960 v < 200 km/h Sezione 320 mmq n.1 corda portante regolata da 120 mmq Cu con tiro di 1375 dan n.2 fili di contatto da 100 mmq Cu regolati ciascuno a 1000 dan Dal 1980 Aumento traffico v < 200 km/h Sezione 440 mmq o maggiore n.2 corde portanti regolate da 120 mmq Cu con tiro di 1125 dan n.2 fili di contatto da 100 mmq Cu regolati ciascuno a 1000 dan

SISTEMA DI ALIMENTAZIONE 3 kv cc v 200 km/h Parametri elettrici e caratteristiche geometriche della catenaria Potenza SSE: 2 x 3.6/5.4 MW SSE ogni 20/30 Km Caratteristiche della linea Velocità massima [km/h] Intensità del traffico Linea di contatto Corda portante Fili di contatto Sezione del rame [mm2] numero sezione [mm2] tiro [dan] numero C o r d e d i t e r r a sezione [mm2] tiro [dan] 200 bassa 320 1 120 1375 2 100 1000 200 media 440 2 120 1125 2 100 1000 200 alta 610 2 155 1000 2 150 1125 C o r d e p o r t a n t i Sostegni: tipo LS a traliccetto in piena linea tipo MANNESMAN nelle stazioni F i l i d i c o n t a t t o Sospensioni: mensola orizzontale Circuito di protezione: n.2 corde di terra da 125 mmq in alluminio

CATENARIA 3kV cc v 200km/h SEZIONE 320 mmq

EVOLUZIONE SISTEMA IN CC PER AV (ROMA FIRENZE DD) Velocità massima 250 km/h Dal 1976 Sezione 460 mmq n.1 corda portante regolata da 160 mmq Cu-Cd con tiro di 2750 dan n.2 fili di contatto da 150 mmq Cu regolati ciascuno a 1500 dan Dal 1990 Sezione 610 mmq n.2 corde portanti regolate da 155 mmq Cu con tiro di 1875 dan e con Y n.2 fili di contatto da 150 mmq Cu regolati ciascuno a 1500 dan Dal 1999 Sezione 540 mmq n.2 corde portanti regolate da 120 mmq Cu con tiro di 1500 dan n.2 fili di contatto da 150 mmq Cu regolati ciascuno a 1875 dan

SISTEMA DI ALIMENTAZIONE a 3 kv cc v 250 km/h Parametri elettrici e caratteristiche geometriche della catenaria Potenza SSE: 3x5,4 MW SSE ogni 16 Km Caratteristiche della linea Linea di contatto Corda portante Fili di contatto Velocità massima [km/h] Intensità del traffico Sezione del rame [mm 2 ] numero sezione [mm 2 ] tiro [dan] numero sezione [mm 2 ] tiro [dan] 250 Media /Alta 540 2 120 1500 2 150 1875 Sostegni: Sospensioni: Circuito di protezione: portali a traliccio a puntone inclinato n.2 corde di terra per ambedue i binari 17

SISTEMA ENERGIA NUOVE LINEE ALTA VELOCITA IN ITALIA

IL PROBLEMA DELLO SQUILIBRIO L ASSORBIMENTO DI POTENZA MONOFASE DA IMPIANTI TRIFASI DETERMINA LA PRESENZA DI TENSIONI DISSIMMETRICHE COMPONENTE INVERSA DI TENSIONE Vi P 1f / P cc LA COMPONENTE INVERSA DETERMINA PER LE APPARECCHIATURE CONNESSE SULLA STESSA RETE MAL FUNZIONAMENTO DEI CONVERTITORI SURRISCALDAMENTO DEI MOTORI pertanto L ELETTRODOTTO CHE ALIMENTA LE SSE AV È DIVERSO DA QUELLO CHE ALIMENTA LE LINEE TRADIZIONALI SCHEMA DI SSE : USO DI TRASFORMATORI MONOFASI INSERITI A V SU LINEA TRIFASE

IL CONCETTO DI SISTEMA INTEGRATO IL SISTEMA DI ALIMENTAZIONE DEL 2X25 kv È UN SISTEMA CHE PREVEDE UNA STRETTA INTEGRAZIONE FRA L ESERCIZIO L DELLA LINEA DI CONTATTO, DELLE SSE E DEI PP, DELLA LINEA AT E DELLE INTERCONNESSIONI AD ESEMPIO UN SEMPLICE SPOSTAMENTO DEL TRATTO NEUTRO ATTIVO LUNGO LA LINEA HA CONSEGUENZE SULL ASSETTO DEI SEZIONAMENTI DELLA LINEA DI CONTATTO, DELLE SSE E DEI PP E SUGLI SQUILIBRI DI CARICO SULLE LINEE AT, CON VARIAZIONI DEI DISTURBI CAUSATI NEI NODI DI INTERCONNESSIONE

L ALIMENTAZIONE DEGLI IMPIANTI AUSILIARI LFM Con il 2X25 kv-50 Hz è possibile disporre di energia elettrica in qualunque punto lungo la linea derivandosi semplicemente dal feeder attraverso trasformatori da palo protetti da fusibile e sezionatore Sono alimentati da questa fonte: impianti di illuminazione impianti f.m. impianti di emergenza impianti di segnalamento riscaldamento deviatoi stazioni radio base del GSM-r unità acquisizione dati per diagnostica binario

SISTEMA ELETTRICO DI ALIMENTAZIONE LINEA A.T. L ALLACCIAMENTO ALLA RETE DI TRASMISSIONE NAZIONALE Autotrasformatore dedicato 380/150 kv P=250 MVA Sbarra per RFI a 150 kv STAZIONE TERNA 380/150 kv Linea A.T. di RFI Doppia sbarra a 380 kv di stazione Doppia sbarra a 150 kv di stazione COLLEGAMENTO DI RISERVA Note: Schema semplificato Impiantistica di misura e Adm di Enel Distribuzione

ALIMENTAZIONE DELLA LINEA FERROVIARIA AV/AC ROMA NAPOLI STAZIONI TERNA 380/150 kv

CARATTERISTICHE ELETTRODOTTO Conduttore di fase : aereo in ACSR diametro 31,5 mm (In = 850 A) cavo 3x1x1000 mmq (Al ARG7HE) Fune di guardia : in acciaio zincato ø 10,5 o 11,5 mm Isolatori : in vetro, a cappa e perno e mensole isolate Smorzamento : smorzatori di vibrazione stockbridge Sostegni : a traliccio, a semplice e doppia terna, autostrallati

TENSIONE DI ALIMENTAZIONE ALL ARCHETTO Norma CENELEC EN 50163 Tensione minima non permanente Tensione minima permanente Tensione nominale Tensione massima permanente Tensione massima non permanente U min2 (V) U min1 (V) U n (V) U max1 (V) U max2 (V) 2 000 2 200 3 000 cc 3 600 3 900 17 500 19 000 25 000 ca 27 500 29 000 Il tempo in cui la tensione è compresa tra U min1 e U min2 non deve essere superiore a 2 minuti. Il tempo in cui la tensione è compresa tra Umax1 e Umax2 non deve essere superiore a 5 minuti. La tensione della barra di distribuzione nella sottostazione con tutti gli interruttori di linea aperti non deve superare U max1.

LE SCELTE DEL SISTEMA 2 X 25 kv L ALIMENTAZIONE 2 X 25 kv DELLA LINEA DI CONTATTO È REALIZZATA TRAMITE: SSE CON TRASFORMATORI 150/25/-25 kv PASSO MEDIO 50 km P=2 X 60 MVA PP CON AUTOTRASFORMATORI CON PRESA CENTRALE +25/0/-25 kv PASSO MEDIO 12km P=2 X 15 MVA

RIPARTIZIONE TEORICA CORRENTI DEL 2X25 kv - 25 kv FEEDER 25% 50% 50% 25% 50% 50% 25% 75% 25% + 25 kv L.C. 50% 100% 50% Cella 1 (libera) Cella 2 (libera) 50% 50% Cella 3 (occupata)

SCHEMA SEMPLIFICATO DI SSE 2X25kV

CARATTERISTICHE DELLO SCHEMA DI POTENZA DI SSE ALIMENTAZIONE AT IN ENTRA-ESCI ESCI EMISEZIONAMENTO SBARRA AT ED MT INSERZIONE DEI TRAFO A V CON POSSIBILITÀ DI CAMBIO FASI PRESA CENTRALE DEL TRAFO COLLEGATO AL BINARIO ED ALLA MAGLIA DI TERRA SEZIONATORI ED INTERRUTTORI LATO 25 kv BIPOLARI SERVIZI AUSILIARI DA FEEDER (-25( kv): 2 TRAFO DA 50 kva (UNO DI RISERVA) DA SBARRA DI SSE E/O DA LINEA

SCHEMA DI POTENZA DI UN Posto di Parallelo Doppio

ALIMENTAZIONE LINEA DI CONTATTO SSE A SSE B TRATTO NEUTRO ATTIVO PPS PPD PPD PPD PPD

DETERMINAZIONE CARATTERISTICHE MECCANICHE LDC Simulazione su modello matematico Individuazione di tipologie di catenarie con comportamenti equivalenti dal punto di vista della captazione intesa come forza di contatto tra un pantografo preso a riferimento e diverse catenarie Variabili prese in considerazione: - pendini e passo di pendinatura - ripartizione dei tiri tra corda/e e filo/i - sezione/peso della catenaria - lunghezza delle campate - valore della freccia Campagna di prove in linea con pantografo attrezzato e rilievi a terra Individuazione della migliore catenaria

LINEE ALTA VELOCITÀ /ALTA CAPACITÀ Velocità massima 300 km/h Sistema di alimentazione 2x25 kv 50 Hz Sezione 270 mmq n.1 corda portante regolata da 120 mmq Cu con tiro di 1625 dan n.1 filo di contatto da 150 mmq Cu regolato a 2000 dan n.1 feeder di 22.8 mm di diametro in corda di alluminio-acciaio alimentato a 25 kv Configurazione Sostegni: pali tipo LS flangiati alla base Sospensioni: a puntone inclinato in lega di alluminio Feeder: posato dal lato esterno al binario Circuito di terra: n.1 corda di terra da 125 mmq in Al posata sui pali ed n.1 corda da 95 mmq in Cu interrata

SISTEMA DI ALIMENTAZIONE 2x25 kv - 50 Hz v 300km/h Parametri elettrici e caratteristiche geometriche della catenaria Potenza SSE: 2 x 60 MVA SSE ogni 50 Km Linea di contatto Corda portante Fili di contatto Feeder alimentato Sezione del rame [mm 2 ] numero sezione [mm 2 ] Cu tiro [dan] numero sezione [mm 2 ] Cu tiro [dan] numero a - 25Kv diametro [mm] corda Al-acciao 270 1 120 1625 1 150 2000 1 22,8 Sostegni: pali tipo LS flangiati alla base Sospensioni: a puntone inclinato in lega di alluminio Feeder: posato dal lato esterno al binario Circuito di terra: n.1 corda di terra da 125 mmq in Al posata sui pali n.1 corda da 95 mmq in Cu interrata 35

CATENARIA 2x25 kv - 50 Hz v 300km/h SEZIONE 270 mmq

CARICHI AGENTI SUI SOSTEGNI Spinta del vento agente sulle funi e sui fili, con o senza manicotto di ghiaccio, Spinta del vento agente sul sostegno senza incrostazioni di ghiaccio, Spinta del vento agente sugli isolatori e sugli accessori di linea senza incrostazioni di ghiaccio, Componenti orizzontali dei tiri delle funi e dei fili nella direzione della campata, Componenti verticali dei tiri delle funi e dei fili, Peso degli isolatori e degli apparecchi ed accessori senza incrostazioni di ghiaccio, Peso degli elementi costituenti i sostegni senza incrostazioni di ghiaccio.

COMPONENTI CATENARIA Feeder Sospensione catenaria Isolatori Fune portante Corda di terra Tirantino di poligonazione Filo di contatto

SOSPENSIONE TESA

SOSPENSIONE COMPRESSA

RIFERIMENTO NORMATIVE EUROPEE Norme CENELEC EN 50119 Costruzione linea aerea di contatto EN 50122-1 Provvedimenti di protezione concernenti la sicurezza elettrica e la messa a terra EN 50149 Rame e leghe di rame per fili di contatto sagomati EN 50124-1 Coordinamento dell isolamento EN 50151 Isolatori compositi EN 50345 Braccetto isolato per linea di contatto EN 50317 Sistema di captazione Misura dell interazione tra pantografo e catenaria EN 50318 Sistema di captazione Validazione della simulazione dell interazione tra pantografo e catenaria EN 50367 Criteri per l interazione tra pantografo e catenaria (per il libero accesso) EN 50163 Limiti di tensione e frequenza richiesti per l interoperabilità

SISTEMA ENERGIA SPECIFICA TECNICA INTEROPERABILITA ENERGIA

PRINCIPALI PROBLEMI E RELATIVE SOLUZIONI Definizione delle prestazioni connesse con il sistema di alimentazione Determinazione del profilo del pantografo interoperabile Condivisione dei metodi di valutazione della qualità della captazione Configurazione della zona neutra di separazione delle fasi

SISTEMI AMMESSI PER L ALIMENTAZIONE DELLE LINEE AV CON VELOCITÀ v 250 Km/h Sistema ottimale: 25 kv - 50 Hz Altri sistemi ammessi: 15 kv - 16,7 Hz nei paesi che già lo utilizzano 3 kv cc in Italia, Spagna e Polonia, sulla linea esistente (Rm-Fi DD) e su tratti delle nuove linee per velocità fino a 250 km/h

PROFILO PANTOGRAFO INTEROPERABILE E stato definito un profilo unico del pantografo interoperabile, valido per tutti i sistemi di alimentazione, sia in ca che in cc, con larghezza di 1600 mm

PROFILO DELLA TESTA DELL EURO-PANTOGRAFO 800 30 R=10000 R=400 R=150 300 200 1200 10 1600 Centro del raggio R=10000 1) Corno in materiale isolante 2) Lunghezza minima degli striscianti 3) Lunghezza della proiezione del corno in materiale isolante 4) Campo di lavoro della testa del pantografo 5) Larghezza della testa del pantografo Fig. 1 - Profilo della testa del pantografo

CRITERI DI VALUTAZIONE DELLA QUALITÀ DI CAPTAZIONE Sono definiti i valori della forza di contatto catenariapantografo, ovvero della spinta del pantografo, in funzione della velocità, nei differenti sistemi di alimentazione in ca e in cc Sono definiti i criteri ottimali di valutazione della qualità della captazione, ovvero dell interazione catenaria-pantografo, in alternativa, mediante: misura della forza media (Fm) di contatto e della dispersione; misura degli archi, o dei distacchi, in funzione del tempo di captazione.

INDICI DI QUALITÀ σ 0,3 Fm NQ = ( Σt arc /t tot ) x 100 0,14 % per corrente alternata 0,20 % per corrente continua

INTERAZIONE CATENARIA PANTOGRAFO F m in funzione della velocità nei sistemi in c.a. 220 200 180 160 140 Fm (N) 120 100 80 60 40 20 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 V (Km/h)

ZONA NEUTRA DI SEPARAZIONE DELLE FASI NEL SISTEMA A 25 kv 50 Hz Una zona neutra lunga almeno 402 m (funzione della lunghezza massima ammessa per i treni) oppure Due zone neutre consecutive di lunghezza inferiore a 142 m (considerando la distanza tra 3 pantografi consecutivi)

ZONA NEUTRA DI SEPARAZIONE DELLE FASI NEL SISTEMA A 25 kv 50 Hz Zona neutra lunga D > 402 m fase 1 fase 2 Zona neutra doppia D < 142 m fase 1 fase 2 143 m < L < 400 m Distanza tra tre pantografi consecutivi

ARRIVEDERCI SULLA ROMA NAPOLI A DICEMBRE 2005