Lez.13 Elettrotecnica Generalità sul sistema elettrico per l energia 1
I primi impianti elettrici risalgono agli inizi dell 800 (es. telegrafo) La rapida diffusione è dovuta alla possibilità di convertire con facilità ed elevato rendimento l energia elettrica in altre forme di energia (meccanica, termica, luminosa) e alla possibilità di sfruttare fonti di energia altrimenti inutilizzabili (es. centrali idroelettriche). L energia elettrica non è accumulabile in grandi quantitativi (condensatori, induttori). Ne consegue che in ogni momento si deve generare energia pari a quella richiesta. Piccoli squilibri sono ammessi solo per pochi secondi. Il mantenimento di questa condizione è reso difficile dalla richiesta di energia che è fortemente variabile (nelle diverse ore del giorno, durante le stagioni, ecc.). 2
Alternata o continua? Le prime applicazioni elettromagnetiche sono in continua (telegrafo, dinamo, motori in c.c.) Vantaggi dell alternata: 1. Uso del trasformatore con la possibilità di trasportare energia con elevate tensioni e basse correnti; 2. facilità di interruzione delle correnti per il loro naturale passaggio per lo zero; 3. Impiego per la produzione dell energia elettrica del generatore sincrono, più affidabile della dinamo. Vantaggi della continua: 1. Facilità di risoluzione delle reti. 3
Monofase o trifase? Vantaggi del sistema trifase: 1. Maggiore semplicità, sicurezza e rendimento del motore asincrono trifase rispetto al monofase; 2. Costi di impianto inferiori a parità di potenza trasferita. Applicazioni monofase: 1. Distribuzione in bassa tensione 2. Trazione ferroviaria Applicazioni in continua 1. Linee di trasmissione sottomarine in cavo per lunghe distanze. 2. Trazione ferroviaria 4
Costituzione del sistema elettrico nazionale Distribuzione primaria Distribuzione MT Distribuzione BT Generazione G 20 kv 20 kv/380 kv MT/AT Trasmissione 380 kv/150 kv 150 kv/20 kv 20 kv/380 V Stazione primaria AT/AT Stazione secondaria AT/MT Cabina MT/BT 5
Produzione Per la produzione di energia elettrica si utilizzano come fonti primarie: energia idraulica, energia termica da combustibili fossili, energia termica da combustibili nucleari, energia solare, energia eolica. Trasmissione e distribuzione Per la trasmissione e distribuzione aerea di energia elettrica sono impiegati conduttori nudi, generalmente di rame o alluminio. Essi hanno un anima di acciaio per migliorare le proprietà meccaniche. L alluminio è più leggero del rame (del 30%) e ha una conducibilità minore (circa il 60%). A parità di potenza dissipata per effetto Joule, una linea di alluminio pesa circa la metà di una linea in rame. 6
I conduttori sono mantenuti da sostegni. I sostegni possono essere di legno (sempre più rari), acciaio, cemento armato, vetroresina. Nel campo dell alta tensione si usano sostegni a traliccio, realizzati con diversi elementi modulari collegati opportunamente. 7
I conduttori nudi non possono essere ovviamente connessi direttamente al sostegno. Per garantire il supporto meccanico e l isolamento elettrico si usano gli isolatori. Gli isolatori sono sempre caratterizzati da un nucleo di materiale isolante e da elementi metallici ai quali agganciare, da una parte il conduttore e, dall altra, il sostegno. I materiali isolanti (D) generalmente impiegati sono la porcellana, il vetro, la resina. Un tipico esempio di isolatore è l isolatore cappa (C) e perno (P), la cui forma consente di agganciare più isolatori tra loro, costituendo una catena con più elementi, da impiegare su linee a differente tensione. 8
Per la distribuzione sotterranea o sottomarina si utilizzano linee in cavo. Un cavo elettrico è costituito da un anima centrale (il conduttore, per il trasferimento dell energia), da un isolante solido (per l isolamento elettrico), da uno schermo metallico (per uniformare il campo elettrico nel dielettrico), da una guaina di protezione. 9
Condizioni di funzionamento In condizioni di funzionamento normale, il sistema opera con tensioni, correnti e frequenze di progetto. In funzionamento anormale, il sistema opera con tensioni e correnti più elevate di quelle nominali. In tal caso si possono avere sovratensioni e sovracorrenti. 10
Sovratensioni: Sono tensioni maggiori delle nominali. Hanno generalmente carattere transitorio Sovratensioni interne (manovra). Derivano da cause dipendenti dall esercizio del sistema, quali apertura o chiusura di interruttori, fenomeni di risonanza, improvvisa riduzione del carico. Sovratensioni esterne (atmosferiche), dovute generalmente a fenomeni di induzione elettrostatica e/o elettromagnetica. Il caso più grave è quello della fulminazione diretta, quando una linea viene colpita da un fulmine (V max =1 4 MV, I max =10 100 ka). Le sovratensioni possono produrre il cedimento dell isolamento elettrico. Se l isolamento è solido, esso viene danneggiato irreversibilmente. 11
Sovracorrenti: Sono correnti maggiori delle nominali: Sovraccarico transitorio (manovre, quale avviamento di motori asincroni, inserzione di trasformatori a vuoto); Sovraccarico permanente (se vengono inseriti utilizzatori di potenza maggiore di quella di dimensionamento dell impianto). I sovraccarichi hanno un effetto quasi esclusivamente termico; possono comportare un deterioramento dell isolamento elettrico e, in casi estremi, provocare un incendio. In genere, se i sovraccarichi sono di durata limitata e non troppo frequenti, allora non sono pericolosi. Cortocircuito (guasto). E un collegamento a bassa impedenza che si instaura tra parti a differenti tensioni (ad esempio tra un conduttore e la terra). E fonte di sollecitazioni elettrodinamiche e termiche notevoli. 12