8. Linee elettriche, apparecchi di protezione e manovra, rifasamento

Corso di
Elementi di ingegneria elettrica di potenza
Angelo Baggini
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8. Linee elettriche, apparecchi di
protezione e manovra, rifasamento
Corso di
Elettrotecnica NO
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Fenomeni termici nei cavi (1)
• In un cavo si sviluppa calore in conseguenza
– delle perdite per effetto Joule nel/i conduttore/i
– perdite nello schermo per correnti parassite (1)
– perdite nel dielettrico (isolante) (2)
• (1) La quantità di calore sviluppata, dovuta alle perdite nello
schermo assumono
valori rilevanti solo per cavi unipolari
schermati
• (2) Normalmente la quantità di calore sviluppata, dovuta alle
perdite nel dielettrico
è trascurabile per cavi aventi tensione
non superiore a 30 kV fatta eccezione
per i cavi isolati in PVC
aventi tensione nominale 10 kV
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Fenomeni termici nei cavi (2)
• Il calore sviluppato all’interno del conduttore
– si accumula nel conduttore determinandone l’aumento di
temperatura
– si trasmette all’ambiente circostante
• per conduzione
• per convezione
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Fenomeni termici nei cavi (3)
• La quantità di calore accumulato nel conduttore
dipende dalla capacità termica del conduttore
stesso che è funzione:
– della capacità termica specifica del materiale (c)
• cCu = 3,45 x 106 J/K m3
• cAl = 2,50 x 106 J/K m3
Fenomeni termici nei cavi (4)
• Le modalità di trasmissione del calore dalla
superficie del conduttore all’ambiente di riferimento
(aria) nei casi d’interesse sono:
– trasmissione per conduzione (ad esempio nel caso di cavi
interrati)
– trasmissione per convezione (ad esempio nel caso di cavi
installati in aria)
– della sezione del conduttore
• La quantità di calore trasmesso all’ambiente
dipende
– dalla modalità di trasmissione del calore (convezione,
conduzione)
– dalla resistenza termica del “circuito”
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Fenomeni termici nei cavi (5)
• La resistenza termica del circuito è funzione
– della resistività termica del/i mezzo/i attraverso i quali il
calore si trasmette dalla superficie del conduttore
all’ambiente di riferimento
– della geometria del problema
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Fenomeni termici nei cavi (6)
• A regime si stabilisce una condizione di equilibrio
dinamico nella quale all’interno del conduttore si è
accumulata una quantità di calore tale da portare la
temperatura del conduttore stesso ad un valore per il
quale la differenza di temperatura tra il conduttore e
l’ambiente consente di smaltire verso l’esterno
(ambiente) tutto il calore sviluppato all’interno del
cavo.
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Portata di un cavo in regime
permanente (1)
Fenomeni termici nei cavi (7)
• La portata di un cavo è la massima corrente che
un cavo può trasmettere in condizioni di
installazione e di esercizio determinate senza che i
conduttori superino la massima temperatura
ammissibile.
• La portata di un cavo si riferisce a condizioni di
regime permanente.
• Il calcolo della portata di un cavo comporta quindi
la soluzione di un problema di trasmissione di
calore.
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Portata di un cavo in regime
permanente (3)
Portata di un cavo in regime
permanente (2)
• L’espressione generale della soluzione del
problema termico e quindi della portata è:
Iz =
θlim − θa
nR( Rϑc + Rϑa + Rϑx )
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dove:
- Rϑc è la resistenza termica totale del cavo
- Rϑa è la resistenza termica tra la superficie del cavo e l’ambiente
di riferimento (aria)
- Rϑx è la resistenza termica equivalente per tener conto del
riscaldamento mutuo tra cavi
- θlim è la temperatura massima ammissibile (massima
temperatura di servizio CEI 20-21)
- θa è la temperatura ambiente
- R è la resistenza elettrica del conduttore calcolata per θlim
- n è il numero di conduttori percorsi da corrente nel cavo
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Portata di un cavo in regime
permanente (4)
• Dalla formula precedente si evince che la portata in
regime permanente di un cavo non è una caratteristica
legata esclusivamente alla sezione del conduttore ma
è una caratteristica di un cavo:
– di un determinato tipo
– di sezione data
– in determinate condizioni di installazione.
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Portata di un cavo in regime
permanente (6)
• I valori della massima temperatura di servizio
(θlim) che devono essere assunti nel calcolo
della portata di un cavo in regime permanente
sono indicati dalla Norma CEI 20-21 (vedi
tabella 1 successiva).
• I valori della temperatura ambiente (θa) che
devono essere assunti nel calcolo della portata
di un cavo in regime permanente sono indicati
dalla Norma CEI 20-21 (vedi tabella 2
successiva).
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Portata di un cavo in regime
permanente (5)
• La portata di un cavo dipende infatti:
– dalle modalità costruttive del cavo e dal tipo di isolante (→ Rθc,
→ n e → θlim)
– dalla sezione del conduttore (→ R) che determina la quantità di
calore sviluppato all’interno del conduttore
– dalle condizioni di posa (→ θa, → Rθa e → Rθx) che influenzano le
modalità di trasmissione di calore.
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Portata di un cavo in regime
permanente (7)
Tabella 1
Isolante
Massima temp. di
servizio °C
Carta impregnata con
miscela stabilizzata
Isolante
Gomma qualità E11
in sistemi con Umax ≤ 3,6 kV
80
in sistemi con Umax > 3,6 kV
75
Carta impregnata con
miscela migrante
in sistemi con Umax ≤ 3,6 kV
80
in sistemi con Umax = 7,2 kV
75
in sistemi con Umax = 12 e 17,5
kV
in sistemi con Umax = 24 kV
70
in sistemi con Umax = 30 e 36
kV
60
Carta impregnata con
olio fluido
90
65
Gomma qualità G2 e
G6
Gomma qualità G5,
G7, G9, G10
Gomma siliconica
qualità E12
Polivinilcloruro
qualità T11 e T12
Polivinilcloruro
qualità R2
Polietilene reticolato
Massima temp. di
servizio °C
60
85
90
180
70
70
90
Minerale con guaina
Guaina metallica: 70
in PVC oppure nudo
accessibile
Minerale nudo e non Guaina metallica: 105
accessibile e non in
contatto con materiali
combustibili
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Portata di un cavo in regime
permanente (8)
Tabella 2
Temperature dell’aria
Clima
Protezione contro le sovracorrenti
Fusibili
Temperature del terreno a 1 m
di profondità
Minimo (°C) Massimo (°C)
Minimo (°C)
Massimo (°C)
Tropicale
25
55
25
40
Sub-Tropicale
10
40
15
30
Temperato
0
25
10
20
- Le portate dei cavi devono essere calcolate per la temperatura
massima
- Se richiesto, i valori minimi saranno usati per la portate invernali
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Apparecchi di protezione (e manovra)
Interruttori
•
•
•
•
•
interruttori ad aria compressa
interruttori in olio
interruttori ad esafluoruro di zolfo
interruttori a soffio magnetico
interruttori a vuoto
Relé
•
•
Elettromeccanici
Elettronici
Caratteristiche
• Magnetiche
• Termica
• Magnentotermica
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Protezione contro le sovratensioni
Origine:
• Interna
• Esterna
Contattori
Sezionatori
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Protezione contro i fulmini
Protezione contro i fulmini
Sorgente di danno
Punto colpito
S1
I tipi di danno
• Il fulmine può produrre tre tipi di danno:
• D1 : danni ad esseri viventi (dovuti a
tensioni di contatto e di passo)
S3
S2
• D2 : danni fisici (dovuti a incendi,
esplosioni, rotture meccaniche, rilascio di
sostanze tossiche, ecc.)
S4
• D3 : avarie di apparecchiature elettriche
ed elettroniche (dovute a sovratensioni)
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Protezione contro i fulmini
Protezione contro i fulmini
Perdite e rischi
Uno stesso danno può produrre più tipi di perdite:
• L1 : perdita vite umane
• L2 : perdita servizio pubblico
→ Rischio R1
→ Rischio R2
• L3 : perdita patrimonio culturale → Rischio R3
• L4 : perdita economica
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→ Rischio R4
Obbligo protezione
• Rischio R1, R2 ed R3
→ obbligatoria
• Rischio R4
→ facoltativa
ma sempre consigliabile perché consente di:
• scegliere il sistema di protezione più
conveniente
• evitare future contestazioni
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Valutazione del rischio: Componenti di rischio
Area di raccolta della struttura per
fulminazione diretta: Ad
RA ( Persone) RM ( Apparati)
RB ( Materiali)
RC ( Apparati)
R1: Perdita di vite umane
RU ( Persone)
RV ( Materiali)
RW ( Apparati)
Area di raccolta per fulmini sul
servizio AL e vicino al servizio Al
RZ ( Apparati)
Al
= RA + RB + RU + RV
+ RC + RW+ RM+ RZ ( Ospedali, Esplosione)
AL
servizio
R2: Perdita di servizio pubblico = RB + RC + RV + RW + RM + RZ
R3: Perdita di beni culturali
= RB + RV
R4: Perdita economica
= RB + RC + RV + RW + RM + RZ
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Strategia - Livelli di protezione
Parametri di fulmine
•
Discendenti
Ascendenti
Polarità:
–
–
•
•
0,97
0,99
0,98
Distribuzione di Probabilità (p.u.)
Verso:
–
–
•
0,99
0,97
0,910,84
Positiva
Negativa
Ampiezza corrente di fulmine
Composizione
Durata colpi:
–
–
Norma CEI EN 62305-1 Tabella 5 Tabella 7
Probabilità per i limiti dei parametri della corrente di fulmine
Breve (< 2ms)
Lungo (> 2ms)
Probabilità
che i parametri della corrente di fulmine siano
O1
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Livello di protezione
I
II
III
IV
Inferiori ai valori massimi definiti
0,99
0,98
0,97
0,97
Superiori ai valori minimi definiti
0,99
0,97
0,91
0,84
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7
Protezione contro i fulmini
Strategia - Livelli di protezione
Norma CEI EN 62305-1 Tabella 5
Valori massimi dei parametri di fulmine e dei corrispondenti livelli di protezione
Primo colpo breve
La protezione ideale
Livello di protezione
Parametri della corrente
Simbolo
Unità
I
II
III - IV
Valore di picco
I
kA
200
150
100
Carica in un colpo breve
Qshort
C
100
75
50
10.000
5.625
2.500
Energia specifica
W/R
kJ/Ω
Tempi
T1/T2
µs/µs
10 / 350
Colpi brevi successivi
Livello di protezione
Parametri della corrente
Simbolo
Unità
I
II
Valore di picco
I
kA
50
37,5
25
Pendenza media
di/dt
kA/µs
200
150
100
Tempi
T1/T2
µs / µs
Parametri della corrente
III - IV
Simbolo
Unità
I
II
Carica in un colpo lungo
Qlong
C
200
150
Tempi
Tlong
s
Parametri della corrente
Simbolo
Unità
I
II
III - IV
Carica nel fulmine
Qflash
C
300
225
150
0,25 / 100
Colpi lunghi
Livello di protezione
III - IV
100
0,5
Fulmine
• Racchiudere la struttura entro un
contenitore metallico chiuso messo a
terra
• Collegare al contenitore metallico,
direttamente o tramite SPD, tutti i
servizi entranti
Livello di protezione
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Esempio di struttura divisa in zone di protezione
LPZ OA
Struttura: rappresenta lo schermo 1
LPS
Esterno
LPZ OB
LPZ 1
Stanza: rappresenta lo schermo 2
B.B. 2
LPZ 2
B.B. 1
Schermo
Cavi, linee
• LPZ 0B (o maggiore) per ridurre i danni fisici
• LPZ 1 (o maggiore) per ridurre le avarie di
apparecchiature
Dispersore
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