Convegno Nazionale 30 anni di attività APCE 6 ottobre 2011 Politecnico di Milano FENOMENI DI INDUZIONE SU TUBAZIONI PARALLELE A LINEE FERROVIARIE AD ALTA VELOCITÀ. VALUTAZIONE DEGLI EFFETTI ALLA LUCE DEL QUADRO NORMATIVO E. Cinieri Università degli studi dell Aquila L Aquila A. Fumi, F. Caracciolo, C. Spalvieri Rete Ferroviaria Italiana - Direzione Tecnica Istituto Sperimentale G. Martini Funzionario F.S. a.r. RIASSUNTO In vista dell attivazione del sistema ad alta velocità (AV/AC), Rete Ferroviaria Italiana si è posta il problema di verificare se le nuove linee di trazione elettrica, alimentate a 25 kv in corrente alternata, possano interferire con le condutture metalliche interrate e generare danni per corrosione elettrolitica, in analogia a quanto ben noto per i sistemi di trazione elettrica in corrente continua. L articolo, dopo aver descritto il sistema di alimentazione a 2 x 25 kv - 50 Hz, adottato in Italia ed i relativi circuiti inducenti (caratterizzati dalle posizioni della linea di contatto, del feeder e del circuito di ritorno), riporta i risultati dei calcoli intesi a determinare gli andamenti, i valori massimi e quelli medi giornalieri delle tensioni indotte in un tratto di tubazione parallelo ad una linea AV, tenendo conto dell effettiva intensità del traffico ferroviario. Si riferisce anche dei risultati di un indagine parametrica che prende in esame gli elementi di maggiore influenza e che mette in evidenza i casi più critici. Gli studi eseguiti sono complementari alle sperimentazioni che si stanno conducendo in laboratorio ed in campo, di cui si riferisce nella memoria a riferimento 7. Keywords: Corrosione elettrolitica, protezione catodica, trazione elettrica in corrente alternata 1. INTRODUZIONE La letteratura tecnica, come ad esempio negli articoli a riferimento [1] e [2], seppure in maniera non totalmente dimostrata e condivisa dagli esperti di settore, riferisce di alcuni casi di danni a tubazioni attribuiti a fenomeni di interferenza con linee elettriche in corrente alternata. Di conseguenza, con l avvento dell Alta Velocità in Italia, cioè con la realizzazione di linee elettriche ferroviarie alimentate a 25 kv - 50 Hz, è stata paventata la possibilità che tubazioni, ad esempio del gas, parallele alle linee predette, potessero essere interessate da correnti indotte in grado di provocare danni per corrosione elettrolitica in maniera analoga, ancorché con effetti meno rilevanti, a quanto accade con la corrente continua.
Tutto ciò sarebbe teoricamente possibile nell ipotesi in cui le condutture interrate abbiano subito danneggiamenti durante la posa, che ne abbiano scalfito il rivestimento passivo, ad esempio urtando corpi estranei (sassi) nel letto di posa. In questi casi le tubazioni, interessate dalle tensioni indotte generate dalle linee esterne inducenti, potrebbero venire attraversate da correnti indotte che entrerebbero ed uscirebbero in corrispondenza dei citati difetti di isolamento, restando tuttavia da dimostrare che le stesse siano in grado di provocare danni da corrosione elettrolitica. Il possibile danno sarebbe in ogni caso legato sia al valore della intensità della tensione indotta sia alla sua permanenza nel tempo. Questo fatto è evidenziato nella Norma in preparazione [3] ad opera del Gruppo di Lavoro CEN TC 219 WG 1 Ad hoc Group 4 del CEN che propone come limite massimo ammissibile per il valor medio giornaliero della tensione indotta il valore di V mg =15 V efficaci. Il presente articolo è inteso a valutare i valori delle possibili tensioni indotte in una tubazione parallela ad una linea AV 2 x 25 kv - 50 Hz, allo scopo di analizzare l effetto dei vari parametri influenti e individuare i valori massimi tollerabili di parallelismo in funzione della distanza della tubazione dalla linea ferroviaria. I risultati appaiono non particolarmente critici anche grazie allo schema di alimentazione scelto dalle ferrovie Italiane (sistema 2 x 25 kv con autotrasformatori) che riduce di molto gli effetti di induzione rispetto al caso del sistema con alimentazione semplice a 1 x 25 kv - 50 Hz. 2. DESCRIZIONE DEL SISTEMA 2X25 kv 50 HZ Le linee ad Alta velocità in Italia sono realizzate secondo il cosiddetto schema 2x25kV 50 Hz con autotrasformatori. Le linee sono a doppio binario con intervallo tra due sottostazioni di alimentazione 380/132 kv di 50 km (SSE). In ciascuna SSE sono installati due trasformatori di rapporto 132/2x25 kv 2x30 MVA che provvedono ad abbassare la tensione al valore di 25 kv adatto alla trazione elettrica. Le linee di alimentazione di ciascuna via consistono di una catenaria di conduttori in rame con una sezione complessiva di 270 mm 2 e un feeder realizzato con un cavo di alluminio di sezione pari a 307 mm 2. Le sezioni di linea alimentate da ciascuna SSE hanno una lunghezza di 25 km e sono fatte di due sezioni della lunghezza di 12.5 km ciascuna. All estremità di queste sezioni di linea sono presenti dei posti dove le linee che alimentano il binario pari e quello dispari sono connesse tra loro in parallelo e a due autotrasformatori della potenza di 15 MVA 50/25 kv attraverso interruttori. Questi posti vengono chiamati posti di parallelo doppi (PPD). La Figura 1 mostra lo schema unifilare di un sistema tipico. Il circuito è alimentato radialmente da ciascuna SSE (SS 1 and SS 2 in Figura1). Le linee di contatto e i Feeder sono sezionati in corrispondenza del PPD centrale, PP M in Figura1, dove è presente un tratto di separazione delle due tratte di linea di alimentazione detto tratto neutro. I trasformatori monofasi, T in Figura1, presenti nelle varie SSE sono connessi a differenti coppie di fasi in modo da equilibrare per quanto possibile il carico e ridurre la componente di sequenza inversa della tensione che nasce nel sistema di alimentazione primario per effetto dei carichi monofasi. 2
1 2 132 kv 2x25 kv 132 kv 2x25 kv PP0 T PP1 LL PPM PP2 T PP3 LR Figura 1 Schema unifilare di una tratta tipica di linea AV 2x25 kv 50 Hz. SS 1, SS 2 = Sottostazioni di alimentazione 132/2x25 kv. T= Trasformatori di alimentazione 2x30 MVA, 132/2x25 kv. = Autotrasformatori 15 MVA 2x25 kv/25 kv. PP = Posto di parallelo doppio. L L, L R = Linee di alimentazione del binario pari e di quello dispari. La Figura 2 mostra la sezione trasversale tipica di una linea AV con la disposizione dei conduttori. La Figura 3 mostra lo schema elettrico semplificato del collegamento della catenaria e del feeder di alimentazione di una via al trasformatore di alimentazione e all autotrasformatore del PPD e la distribuzione teorica delle correnti assorbite da un locomotore. Figura 2 Sezione trasversale tipica di una linea AV. 3
L analisi del circuito mostra che, per effetto della presenza dell autotrasformatore 2, la corrente assorbita dal carico (I) viene assorbita in parte (I 1 ) da monte, lato alimentazione, in parte (I 2 ) da valle. Nella sezione a monte, a causa della presenza dell autotrasformatore 1, la corrente nel circuito di ritorno (binario e terreno) è praticamente pari a zero e le correnti nella linea di contatto e nel feeder sono uguali ed opposte. Questa distribuzione di correnti risulta favorevole dal punto di vista delle tensioni indotte in un conduttore (tubazione) parallelo alla linea ferroviaria rispetto al caso di un semplice sistema 1x25kV-50 Hz, cioè senza feeder e autotrasformatori, in quanto determina minori f.e.m. indotte nei conduttori paralleli alla linea ferroviaria nella tratta nella quale è presente il carico e quasi l annullamento delle predette f.e.m. indotte nell altra tratta. Figura 3 Distribuzione delle correnti assorbite da un convoglio 3. ANALISI PARAMETRICA DELLE TENSIONI INDOTTE IN UNA TUBAZIONE PARALLELA AD UNA LINEA AV. E stato effettuato il calcolo delle tensioni indotte nell estremità libera di una tubazione interrata, parallela ad una linea AV in doppio binario per un tratto della lunghezza di 1 km posto a distanza compresa tra 25 e 100 m dall interasse della stessa. Nel calcolo è stata fatta l ipotesi che la condotta sia isolata da terra per tutto lo sviluppo di 1 km e messa a terra ad una estremità. La tensione calcolata è quella indotta in corrispondenza dell estremità opposta, a distanza di 1 km. Si è ipotizzato che la linea avesse la normale configurazione di esercizio, che cioè fosse alimentata dalla SSE alla tensione di 2x25 kv secondo lo schema usuale e avesse autotrasformatori alle progressive 12.5 e 25 km. Preliminarmente si è supposto che nel binario più vicino alla tubazione transitassero, alla velocità di 300 km/h, treni caratterizzati da un assorbimento di 12 MW a 27.5 kv, cos =1 (I 435 A), cadenzati a 5 minuti uno dall altro. Le Figure 4, 5 e 6 riportano gli andamenti nel tempo della tensione indotta nella tubazione per diversi valori della distanza dalla linea ferroviaria (D=25m, 50m,100m) e per diverse posizioni del tratto di tubazione parallela alla linea. Al riguardo si sono esplorate le posizioni comprese tra l ascissa 0 e l ascissa 12.5 km, della prima sezione di alimentazione. 4
Analoghe considerazioni valgono per il caso di parallelismo sulla seconda sezione di alimentazione. In queste condizioni si è determinato che la massima tensione indotta si verifica quando il conduttore indotto è in corrispondenza dell arrivo della sezione di linea, a 12.5 km (ved. Fig.6). Dall esame della figura si nota come la tensione indotta cresce man mano che il treno si avvicina alla sezione del conduttore fino a raggiungere un massimo (pari a 13.4 V per il caso di D=25m) per una posizione del treno immediatamente a monte dell ascissa del conduttore indotto 1. Poi la tensione va diminuendo a valori dell ordine di 1 V, valore che viene mantenuto quando il treno occupa la sezione successiva alla cella ove si verifica il parallelismo e cioè nel caso ipotizzato si trova tra le ascisse 12.5 km e 25 km. [V] 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 [s] Figura 4 25m 50m 100m Tensione indotta in una tubazione metallica parallela ad una linea AV per una estesa di 1 km e distante 25-50-100 m. Sulla linea circola alla velocità di 300 km/h un treno che assorbe una potenza di 12 MW alla tensione di 27.5 kv. La tubazione si estende a partire dall ascissa 0 della prima cella della linea. Resistività del terreno, = 100 m. 1 In realtà la tensione indotta subisce una temporanea riduzione quando il treno si trova in una posizione intermedia tra le due estremità del tratto parallelo della tubazione. Dato il limitato sviluppo del parallelismo questo fenomeno, la cui trattazione avrebbe richiesto una modellazione di linea molto più accurata, non è rappresentato nei calcoli di cui trattasi. Il valor medio della tensione indotta determinato è pertanto, sia pur di poco, sovrastimato. 5
12 10 8 [V] 6 4 2 0 0 200 400 600 800 1000 1200 [s] 25m 50m 100m Figura 5 Come in Figura 1 ma con tubazione posta al centro della prima cella di linea [V] 16.0 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 0 200 400 600 800 1000 1200 [s] 25m 50m 100m Figura 6 Come in Figura 1 ma con tubazione posta all estremità di arrivo della prima cella di linea Il calcolo è stato ripetuto per il caso di tubazione distante 50m dalla linea ferroviaria, ipotizzando valori variabili della resistività del terreno e compresi tra 25 m e 1000 m (ved. Figura 7). Dall esame della figura si nota che al crescere della resistività del terreno aumentano le tensioni indotte. Il fatto che la tensione indotta cresca al crescere della resistività del terreno è dovuto all aumento con la resistività del terreno della profondità del baricentro della quota delle correnti di ritorno che si richiude nel terreno. Passando da una resistività del terreno di 25 m ad una resistività di 1000 m la tensione indotta aumenta di una volta e mezza. 6
[V] 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 200 400 600 800 1000 1200 [s] 25 ohm.m 100 ohm.m 1000ohm.m Figura 7 Come in Figura 6 ma con diversi valori della resistività del terreno. Distanza della tubazione dalla linea D = 50m. 30.0 25.0 20.0 [V] 15.0 10.0 5.0 0.0 0.0 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0 1200.0 [s] D P R Figura 8 Andamento nel tempo della tensione indotta da un treno circolante sul pari ed un treno circolante sul dispari su una tubazione avente un tratto lungo 1 km parallelo alla linea ferroviaria e posto a 25 m di distanza da quest ultima. t = 100 m. D = Tensione indotta dal treno circolante sul binario dispari (lato tubazione); P = Tensione indotta dal treno circolante sul pari; R = Risultante delle tensioni indotte. Si sono sincronizzati i treni in modo che i massimi delle tensioni indotte avvengano nello stesso istante. 7
I valori della tensione indotta nel caso di una serie di treni che percorra il binario pari sono lievemente minori a causa della maggiore distanza tra la tubazione e la linea inducente. La Figura 8 illustra questo caso. Nella figura sono rappresentati gli andamenti delle tensioni indotte da un treno circolante sul pari e da un treno circolante sul dispari su una tubazione avente un tratto lungo 1 km parallelo alla linea ferroviaria e posta a 25 m di distanza da quest ultima. La resistività del terreno ipotizzata è pari a t =100 m. Nella figura sono evidenziate le tensioni indotte da ciascuno dei treni separatamente e la risultante delle stesse. La forma di quest ultima dipende ovviamente dalla fase relativa dei due treni. Nella figura è rappresentato il caso in cui i due treni si incrocino in corrispondenza della ascissa X=12.5km, caso in cui i massimi delle tensioni indotte da ciascuno dei treni avvengono nello stesso istante e in conseguenza si verifica il massimo della tensione indotta risultante (pari a 23.9V). Ovviamente mentre l andamento della risultante delle tensioni indotte per un diverso punto di incrocio dei due treni è diverso a seconda della fase reciproca dei due treni, e in conseguenza variabile è il valore di picco della tensione indotta, indipendente risulta il valore medio della tensione indotta risultante. Il fenomeno della corrosione elettrolitica da induzione di f.e.m. ad opera di linee elettriche parallele ad una tubazione interrata isolata dal terreno con un rivestimento protettivo che presenta difetti di isolamento è un fenomeno cumulativo che si sviluppa nel tempo. Per questo motivo il progetto di Norma Europea [3] prevede che, ad evitare che i fenomeni di corrosione elettrolitica, in presenza di protezione catodica e nel caso di possibili difetti di isolamento della tubazione, assumano entità non tollerabili (velocità di corrosione maggiore di 0.01 mm/anno) il valor medio nelle 24 ore della tensione indotta sia contenuto al di sotto del valore di 15 V efficaci. Allo scopo di valutare l entità dei possibili effetti di corrosione elettrolitica imputabili ad una linea elettrica ferroviaria parallela ad un tratto di tubazione della lunghezza di 1 km si sono valutati i valori medi giornalieri delle tensioni indotte risultanti per diversi valori della distanza della tubazione e della resistività del terreno. Nei calcoli si è fatta una ipotesi di traffico particolarmente intenso e cioè: treni in transito sulle due vie cadenzati a 5 minuti per 6 ore al giorno e a 15 minuti per 12 ore al giorno, viaggianti alla velocità di 300 km/h. L assorbimento di ciascun treno è ipotizzato pari a 12 MW a 27.5 kv. Viene inoltre ipotizzato un intervallo notturno per manutenzione di 6 ore. I risultati dei calcoli sono riportati in Tabella I. Tabella I Sintesi dei valori medi giornalieri delle tensioni indotte Caso X [km] D = 25m D = 50 m D = 100 m [ m] 1 0 2.46 1.88 1.52 100 2 6.25 2.82 2.38 1.88 100 3 12.5 4.04 3.32 2.60 100 4 12.5 3.47 2.74 2.02 25 4.04 3.32 2.60 100 4.98 4.26 3.54 1000 Valori medi giornalieri delle tensioni indotte in Volt in una tubazione della lunghezza di 1 km nel caso di traffico che si svolge contemporaneamente sulle due vie (pari dispari) con treni cadenzati a 5 minuti per 6 ore al giorno e a 15 minuti per 12 ore al giorno e viaggianti alla velocità di 300 km/h. L assorbimento di ciascun treno è ipotizzato pari a 12 MW a 27.5 kv. Viene inoltre ipotizzato un intervallo notturno per manutenzione di 6 ore. X = posizione della tubazione rispetto alla sezione di linea: X = 0 km = tubazione posta all inizio della sezione di linea. X = 6.25 km = tubazione posta a metà della sezione di linea; X =12.5 km = tubazione posta al termine della sezione di linea. 8
Dall esame della tabella si nota come i valori maggiori della tensione indotta si verificano, come già sopra evidenziato, nel caso di tubazione posta all estremità di arrivo di una sezione di alimentazione. Con resistività del terreno di 1000 m e distanza della tubazione dall interasse della linea pari a 50 m il valor medio giornaliero della tensione indotta risulta pari a V mg = 4.26 V. Ciò significa che approssimativamente, trascurando l effetto di cui alla nota 1, e quindi sovrastimando la tensione indotta, nel caso di parallelismi di lunghezza minore di 4 km non sussistono condizioni pericolose dal punto di vista dei fenomeni di cui si tratta. Nel caso di resistività del terreno più bassa, che rappresenta il caso più frequente, il valor medio giornaliero della tensione indotta risulta ancora meno critico, scendendo a valori di V mg =2.7-3.3V. 4. CONCLUSIONI L articolo riporta i risultati dei calcoli delle tensioni indotte in un tratto di tubazione parallela ad una linea ferroviaria ad Alta Velocità realizzata secondo lo schema adottato in Italia, il cosiddetto sistema 2x25 kv-50hz, che, grazie alla presenza dei feeders e degli autotrasformatori, consente di ridurre sensibilmente i valori delle tensioni indotte nei conduttori paralleli. L analisi parametrica effettuata ha consentito di mettere in evidenza che: I valori di tensione indotta permangono per tempi limitati al tempo necessario al treno per transitare nella sezione di alimentazione nella quale si verifica il parallelismo; I valori più elevati di tensione indotta si verificano quando il parallelismo si sviluppa in prossimità dell estremità lontana da quella di alimentazione della sezione di linea AV; per le altre posizioni le tensioni indotte risultano più contenute; I valori medi di tensione indotta risultano tanto più bassi quanto più è bassa la resistività del terreno. Circostanza questa favorevole in quanto la densità di corrente circolante nella ipotetica areola di tubazione scoperta per effetto di un difetto nel rivestimento isolante è tanto maggiore quanto più bassa è la resistività del terreno. Nei casi più sfavorevoli, di terreni cioè rocciosi con elevata resistività, parallelismi di 3-4 km a distanza non minore di 50 m dall interasse della linea non risultano critici dal punto di vista delle tensioni indotte passibili di causare fenomeni di corrosione elettrolitica. Va notato che il valore di 15 V previsto dal progetto di norma CEN [3] è molto più restrittivo di quello di 60V, limite previsto, dalla norma CEI 304-1 [5] e dalla norma pren 50443 [4]- attualmente in fase di approvazione, sia per questioni di sicurezza delle persone sia ad evitare disturbi sul sistema di tubazioni nelle condizioni di ordinario esercizio. Va peraltro osservato che l indagine parametrica effettuata ha messo in evidenza che le maggiori tensioni indotte si verificano nei casi di elevata resistività del terreno che sono, a parità di tensione indotta, quelli meno critici in termini di densità di corrente dispersa attraverso un difetto della guaina protettiva di una tubazione. I due effetti pertanto parzialmente si compensano. Sembrerebbe quindi opportuno che, nella norma in fase di preparazione [3], vengano previsti, per la tensione media giornaliera massima ammissibile, valori crescenti al crescere della resistività del terreno. I valori teorici così calcolati saranno tenuti in conto per il completamento delle sperimentazioni in laboratorio ed in campo 7, al fine di verificare l effettivo prodursi della corrosione elettrolitica sui provini interrati attraversati per tempi considerevoli dalle correnti alternate dell intensità calcolata e di fatto producibile dal sistema inducente. 9
5. RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI [1] H.R. HANSON, J. SMART A.C. Corrosion on a pipeline located in a HVAC corridor. Proc. Int. Conf. CORROSION/04, Paper 209, NACE Int., Houston TX, 2004. [2] I. RAGLT AC Corrosion Induced by E.H.V. Electrical lines on Polyethylene Coated Steel Gas Pipelines. Proc. Int. Conf., CORROSION/04, NACE Int., Houston TX, 2004. [3] CEN TC 219 WG 1 Ad hoc Group 4 Evaluation of a.c. corrosion likehood of buried pipelines Application to cathodically protected pipelines. Doc n 672-2010, March 8th, 2011. [4] pren-50443 - Ed. 2011 - Railway applications Fixed installations Effects of electromagnetic interference on pipelines caused by high voltage a.c. electric traction systems and/or high voltage a.c. power supply systems. Ed 2011. [5] CEI 304-1. Ed. 2005 Interferenza elettromagnetica prodotta da linee elettriche su tubazioni metalliche - Identificazione dei rischi e limiti di interferenza. [6] D.M. n.2445 23 febbraio 1971 e successive modifiche. Norme tecniche per gli attraversamenti e per i parallelismi di condotte e canali convoglianti liquidi e gas con ferrovie ed altre linee di trasporto. [7] E. CINIERI, A. FUMI, M. GABRIELLI, G. MARTINI, Stato delle ricerche condotte dall Istituto Sperimentale delle ferrovie dello stato sui fenomeni di corrosione elettrolitica in corrente alternate. Convegno nazionale APCE, Milano 6 ottobre 2011. 10