Reti elettriche: teoria e applicazioni. Linee. Paolo Pelacchi

reti elettriche - linee Le linee per il trasporto e la distribuzione dell’energia elettrica costituiscono un elemento piuttosto complesso e devono essere analizzate con riferimento ai seguenti aspetti: Comportamento meccanico ed elettromeccanico. Comportamento termico. Comportamento elettrico. Mentre il 2° ed il 3° aspetto devono essere tenuti in conto, in generale, per ogni tipologia di linea, il 1° è caratteristico delle linee aeree, siano esse a conduttore nudo o isolato. reti elettriche - linee

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Linee aeree: problemi meccanici Per quanto riguarda le sollecitazioni di tipo meccanico esse sono dovute essenzialmente alle modalità di montaggio della linea (tiro in EDS) ed alle condizioni ambientali. Il progetto meccanico delle linee aeree viene effettuato generalmente considerando le seguenti condizioni di carico: Condizione EDS Presenza di sovraccarichi di ghiaccio e di vento Rotture di conduttori reti elettriche - linee

Linee aeree: problemi termici Per quanto riguarda i fenomeni termici associati al funzionamento in condizioni normali o di sovraccarico deve essere osservato che: La temperatura del conduttore dipende non solo dalla corrente che lo attraversa ma anche dalle condizioni meteo (temperatura dell’aria, vento, insolazione). Il riscaldamento eccessivo produce una ricottura che influisce sulla durata del conduttore. Il riscaldamento provoca un aumento di franco (cfr. black out italiano) che può risultare critico in alcune campate. reti elettriche - linee

Linee aeree: problemi elettromeccanici Il problema elettromeccanico delle linee aeree è essenzialmente dovuto alle correnti di guasto. Le sollecitazioni elettrodinamiche vengono prodotte dalle correnti di cto. cto. derivanti da guasti polifase, sia con neutro a terra sia con neutro isolato (linee MT). Da tale fenomeno possono essere escluse le linee in c.c. in quanto i relativi sistemi di trasmissione funzionano a corrente impressa (e quindi costante). Alle sollecitazioni elettrodinamiche sono associate anche sollecitazioni termiche (effetto joule). reti elettriche - linee

Linee aeree: problemi elettromeccanici La forza applicata per unità di lunghezza a due conduttori paralleli percorsi entrambi da una corrente I è: La massima corrente di cto. cto. di una rete MT è di 12.5 kA; se il conduttore è leggero possono sorgere problemi. Ulteriori problemi dovuti ad aumento momentaneo dei franchi ed a possibili intrecci. reti elettriche - linee

Linee aeree e fulminazione Il fenomeno della fulminazione interessa solamente le linee elettriche aeree. La fulminazione può essere: Diretta, quando il fulmine colpisce direttamente un conduttore o una fune di guardia Indiretta, quando il fulmine cade nelle vicinanze della linea La probabilità di avere una fulminazione diretta è più bassa dell’altra, ma le sovratensioni associate al fenomeno sono più rilevanti. reti elettriche - linee

Linee aeree e fulminazione Il sistema di protezione tipicamente utilizzato è rappresentato dalle funi di guardia; queste hanno però efficacia praticamente solo per linee con tensioni nominali superiori a 400 kV. In pratica per tensioni inferiori a 100 kV le funi di guardia non garantiscono alcuna protezione. In Italia le linee in MT (10 – 20 kV) non hanno la fune di guardia. reti elettriche - linee

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Linee aeree e fulminazione Fulminazione indiretta in prossimità di una linea in alta tensione reti elettriche - linee

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Linee aeree e fulminazione Fulminazione diretta in una linea in bassa tensione reti elettriche - linee

Linee aeree e fulminazione Fulminazione diretta in linee aeree in bassa tensione reti elettriche - linee

reti elettriche - linee Linee in cavo HVDC cables reti elettriche - linee

Turbigo - Rho 400 kV Lunghezza della connessione in cavo 8.3 km Lunghezza totale di cavo 50 km circa Lunghezza delle singole pezzature fino a 800 m Portata nominale per cavo (continuativa) 1600 A Conduttore Milliken 2000 mm2 Isolante XLPE Guaina metallica Alluminio saldato

Turbigo - Rho 400 kV

Cavo per alta tensione in olio condotto olio conduttore isolante schermi isolante esterno (cintura) armatura metallica guaina esterna reti elettriche - linee

reti elettriche - linee CAVO PER MT TRIPOLARE conduttore settoriale reti elettriche - linee

reti elettriche - linee CAVO PER BT TRIPOLARE reti elettriche - linee

Modelli elettrici delle linee Le linee elettriche (aeree o in cavo) sono elementi nei quali una delle dimensioni (lunghezza) può raggiungere valori dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d’onda dei segnali che vi circolano (a 50 Hz circa 6000 km). Per tale motivo questo componente non può essere descritto con modelli elettrici a parametri concentrati; si devono quindi sviluppare modelli che tengano conto di questa realtà: modelli a parametri distribuiti. Anche il calcolo delle cosiddette “costanti” delle linee viene effettuato tenendo conto di tale realtà. reti elettriche - linee

Modelli elettrici delle linee H = f( I,1/d) E = g(V,1/d) Q Q r r s s t t I d H V P E reti elettriche - linee

Modelli elettrici delle linee Le espressioni sotto riportate ipotizzano che il due campi (elettrico e magnetico) agiscano in maniera indipendente. reti elettriche - linee

Modelli elettrici delle linee In definitiva, tenendo conto delle ipotesi prima fatte e delle leggi dei campi elettrico e magnetico è possibile dimostrare che valgono le seguenti espressioni (valide per unità di lunghezza) reti elettriche - linee

Modelli elettrici delle linee L’induttanza longitudinale aumenta all’aumentare della distanza tra le fasi e diminuisce all’aumentare del raggio equivalente. La capacità trasversale aumenta al diminuire della distanza tra le fasi e diminuisce al diminuire del raggio equivalente. 0,2 0,4 0,8 1 380 kV 132 20 R’/X’ reti elettriche - linee

Modelli elettrici delle linee Impedenze caratteristiche tipiche delle linee italiane 100 200 300 Zc 500 600 380 kV 132 20 Potenze caratteristiche Pcar-400 = 640 MW Pcar-220 = 130 MW Pcar-132 = 45 MW La potenza caratteristica è definita dalla seguente espressione reti elettriche - linee

Considerazioni su linee aeree/cavo Valori tipici delle capacità per unità di lunghezza delle linee sono i seguenti: c’aerea = 13 nF/km per linee aeree (400 kV) c’cavo = 250 nF/km per linee in cavo XLPE (400 kV) La potenza reattiva prodotta dalle linee risulta quindi pari a: Qaerea = 0.7 MVAR/km per linee aeree (400 kV) Qcavo = 10 12 MVAR/km per linee in cavo XLPE (400 kV) La potenza reattiva prodotta dalla linea riduce la portata della linea stessa. reti elettriche - linee

Considerazioni su linee aeree/cavo In pratica, a seconda della tecnologia utilizzata, dopo poche decine di km la potenza reattiva prodotta da una linea in cavo eguaglia la portata del cavo, cioè la portata del cavo è saturata dalla potenza reattiva da lui stesso prodotta. Occorre quindi procedere a tecniche di compensazione (reattanze shunt). In pratica, per una linea mista aerea-cavo, non si possono superare 20 km in assenza di compensazione. reti elettriche - linee

Linee aeree: aumento della capacità di trasporto Lo sviluppo della richiesta di energia nel tempo comporta la necessità di aumentare la capacità di trasporto. I limiti alla capacità di trasporto sono imposti dai fenomeni di ricottura dei conduttori e dalla diminuzione dei franchi verso terra delle fasi. L’aumento della capacità di trasporto può essere ottenuta tramite: Impiego di sistemi di monitoraggio in tempo reale del comportamento della linea al variare della potenza trasportata Sostituzione del conduttore esistente con uno che possa trasportare una maggiore quantità di corrente reti elettriche - linee

Nuove tipologie di conduttori per linee aeree L’aumento della capacità di trasporto dei conduttori può essere ottenuto attraverso: Aumento della sezione utile (a parità di diametro) Miglioramento della dissipazione del calore Aumento della temperatura di esercizio Soluzioni costruttive che soddisfino tali requisiti sono: Uso di conduttori compatti Uso di conduttori verniciati Uso di conduttori per alta temperatura reti elettriche - linee

reti elettriche - linee Costi Costi delle linee per unità di potenza. reti elettriche - linee