Analisi di alimentazione integrata di un nodo
ferroviario AV
Guido Guidi Buffarini
Giovanni Trezza
Pierluigi Caramia
Italferr S.p.A.
Gruppo Ferrovie dello Stato Italiane
Roma, Italia
[email protected]
Italferr S.p.A.
Gruppo Ferrovie dello Stato Italiane
Roma, Italia
[email protected]
Universita' degli Studi di Napoli
"Parthenope”
Napoli, Italia
[email protected]
Abstract — In nodi particolarmente complessi, a causa della
simultanea presenza di SSE della linea Alta Velocità (AV) e di
SSE alimentanti linee a 3 kV cc, possono nascere disturbi, di
natura condotta, interferenti con gli impianti di segnalamento e
sicurezza.
I.
Introduzione
L’evoluzione della trazione elettrica ha portato ad una
molteplicità di sistemi ispirati a principi tra loro molto diversi.
Attualmente, in Europa, sono presenti sistemi di trazione
alimentati in corrente continua, in corrente alternata monofase
a frequenza industriale e in corrente alternata monofase a
frequenza ferroviaria.
Come ben noto, la rete ferroviaria italiana presenta linee
elettrificate in corrente continua a 3 kV (rete tradizionale), e
linee elettrificate in corrente alternata monofase a 2x25 kV –
50 Hz (rete AV).
Ciascuno di questi sistemi presenta problemi di “Power
Quality” [1]; tali problemi possono interessare sia la rete
trifase, da cui essi sono alimentati, che vede il sistema di
trazione come un carico disturbante, sia lo stesso sistema di
trazione, al cui interno esistono componenti, ad esempio i
circuiti di controllo e di segnalamento, che sono estremamente
sensibili alle caratteristiche delle forme d’onda, di tensione e
di corrente, ad essi applicate [2-4].
Più in particolare, nel caso dei sistemi alimentati in
corrente monofase alternata, i principali problemi di Power
Quality sono legati alle dissimmetrie delle tensioni nei nodi
della rete trifase di alimentazione e alle distorsioni delle forme
d’onda di corrente e di tensione, presenti sia nel circuito di
linea che nella rete trifase, e che sono causate dalle armoniche
ed interarmoniche generate dagli azionamenti di bordo dei
locomotori.
Nel caso dei sistemi in corrente continua sono presenti
distorsioni delle forme d’onda di tensione e di corrente nel
circuito di linea e nella rete trifase; esse sono causate sia dalle
armoniche ed interarmoniche generate dagli azionamenti di
bordo dei locomotori che dalle armoniche generate dai
convertitori ca/cc presenti nelle sottostazioni elettriche (SSE).
Nelle normali condizioni di funzionamento il sistema
tradizionale in c.c. e quello AV in c.a. monofase a frequenza
industriale della rete ferroviaria italiana, operano
separatamente. Le sottostazioni del sistema in corrente
alternata e di quello in corrente continua, infatti, sono
connesse a reti differenti e praticamente indipendenti.
Tuttavia, in condizioni di emergenza, i due sistemi possono
essere connessi alla stessa rete trifase mediante collegamenti
di soccorso e, conseguentemente, subire mutue influenze. In
queste condizioni di emergenza, particolare attenzione va
posta agli effetti che una dissimmetria delle tensioni di
alimentazione dei raddrizzatori delle sottostazioni del sistema
in corrente continua, causata dal carico squilibrato costituito
dalle SSE del sistema monofase in corrente alternata, provoca
a tensioni e correnti armoniche in ingresso ed in uscita ai
raddrizzatori stessi. Infatti, la presenza di un’alimentazione
dissimmetrica introduce armoniche non caratteristiche nelle
forme d’onda di tensione e corrente, e modifica il valore di
quelle caratteristiche.
Nel lavoro, è dapprima descritta la parte della rete
ferroviaria italiana oggetto della problematica in studio
(Paragrafo II). Successivamente sono analizzati gli effetti
prodotti da un’alimentazione dissimmetrica sul funzionamento
di una SSE del sistema in corrente continua, in termini di
variazione dei livelli di distorsione armonica, (Paragrafo III).
Infine, è esaminato un caso reale di interazione tra il sistema
in c.c. e il sistema in c.a. monofase. Il caso analizzato fa
riferimento alla rete ferroviaria descritta nel paragrafo II, in
cui è prevista la possibilità di alimentare, in emergenza, le
SSE del sistema A.V. e le SSE del sistema tradizionale in
corrente continua attraverso un collegamento comune.
II.
Reteferroviariaitaliana
oggettodistudio
L’incremento del traffico ferroviario in prossimità del
nodo di Firenze ha comportato la necessità di creare una
nuova SSE, a servizio della linea a 3 kV c.c., presso Prato.
La SSE di Prato sarà equipaggiata con due gruppi di
conversione da 5,4 MW e sarà alimentata tramite una linea in
cavo a 20 kV, di circa 13 km, a partire dalle sbarre a 132 kV di
Rifredi.
La rete ferroviaria
schematicamente in fig.1.
in
esame
è
rappresentata
Fig. 1. Schema unifilare della rete ferroviaria nei pressi di Rifredi
Il nodo centrale di tale rete è la località Rifredi, situata a
pochi km da Firenze dove sono presenti 2 sbarre in A.T. a 132
kV da cui partono più linee per l’alimentazione di 12
sottostazioni della linea storica in corrente continua (S Viola,
S. Rufillo, ecc.).
La rete è alimentata in più punti caratterizzati da diversi
valori della potenza di corto-circuito, come indicato in tabella
I.
TABELLA I
•
r = 0,0291 Ω/km;
•
xL = 0,122 Ω/km;
•
c = 220 nF/km.
I collegamenti Rifredi-Firenze AV (3 km) e Rifredi-Prato
(13,6 km) sono realizzati con cavi tripolari aventi le seguenti
caratteristiche:
•
Vn = 20 kV;
•
r = 0,04 Ω/km;
•
xL = 0,046 Ω/km;
•
c = 700 nF/km.
Calenzano
Vn
Pcc
[kV] [MVA]
380 10000
Sodo
132
1500
Bologna
132
2500
Ponticino
132
1000
Cascina
•
Vn = 132 kV;
132
1000
•
r = 0,172 Ω/km;
•
xL = 0,424 Ω/km;
•
c = 8,5 nF/km.
Nodi Trifasi di c.to c.to
Inoltre, presso Rifredi sono presenti: una SSE della linea a
3 kV c.c. e più trasformatori destinati all’alimentazione di altri
carichi di vario tipo (carico rotante, carichi luce, ecc.).
I collegamenti Calenzano-Rifredi (8,32 km), CalenzanoCastello (8,16 km) e Castello-Rifredi (3,58 km) sono realizzati
con terne di cavi unipolari aventi le seguenti caratteristiche:
•
Vn = 132 kV;
I collegamenti Sodo-Rifredi, Cascina-Empoli-Rifredi,
Bologna-Rifredi e Rifredi-Ponticino sono realizzati con linee
aeree aventi le seguenti caratteristiche:
Le lunghezze delle varie linee aeree sono riportate nella
tabella II.
TABELLA II
Lunghezza
[km]
Linea
Sodo-Rifredi
Rifredi-Empoli
Rifredi-Compiobbi
Empoli-Cascina
Rifredi-Vaiano
Vaiano-Cà di Landino
Cà di Landino-Grizzana
Grizzana-S.Rufillo
S.Rufillo-Bologna
Compiobbi-Incisa
Incisa-Figline
Figline-Ponticino
Rifredi-S.Donato
S.Donato-Montevarchi
Montevarchi-Valdarno
Valdarno-Ponticino
0,86
25,7
11
34,5
24
17
18
29
12
16,7
5
24
20
23
7
7,7
La SSE della linea AV è situata in località Castello, a
meno di 5 km da Rifredi. Questa sottostazione AV è una
sottostazione terminale ed alimenta la linea a 2x25 kV – 50
Hz. A tal proposito si ricorda che le specifiche di progetto,
previste per il sistema A.V. italiano, prevedono la circolazione
di treni da 12 MW, impostati alle velocità di 300 km/h,
distanziati di 5 minuti.
All’interno dello schema, sono presenti 6 SSE della linea
storica equipaggiate con gruppi di conversione con
raddrizzatori a ponte dodecafase: S.Viola, S.Ruffillo,
Compiobbi, S.Donato, Prato e Rifredi. Le rimanenti SSE sono
tutte realizzate con gruppi di conversione con raddrizzatori a
ponte esafase.
conversione dodecafase in presenza di una crescente
dissimmetria dell’alimentazione.
A tal proposito, si ricorda che, in condizioni ideali
dell’alimentazione, nel caso di un raddrizzatore a ponte
esafase (dodecafase), le armoniche presenti sul lato corrente
alternata e sul lato corrente continua sono multiple della
fondamentale ed in particolare di ordine 6k±1 (12k±1) sul lato
c.a., mentre di ordine 6k (12k) sul lato c.c., con k numero
intero.
Alimentando una sottostazione con una terna
dissimmetrica di tensioni nascono, sia sul lato corrente
alternata che sul lato corrente continua, armoniche non
caratteristiche. In particolare, tra le armoniche non
caratteristiche presenti sul lato corrente continua, ai fini della
sicurezza del sistema ferroviario, rivestono particolare
interesse quelle armoniche la cui frequenza è prossima alla
frequenza utilizzata nei circuiti di segnalamento e controllo. A
tal proposito è interessante analizzare il comportamento della
seconda armonica (100 Hz) che risulta, tra le armoniche non
caratteristiche, anche quella con i valori di ampiezza più
elevati. Le figure 2 e 3 mostrano, rispettivamente, l’ampiezza
della tensione armonica di ordine 2 al variare del fattore di
dissimmetria Kd e della potenza del carico di trazione.
Dall’analisi delle figure 2 e 3 è evidente che l’ampiezza
della armonica a 100 Hz assume valori tutt’altro che
trascurabili ed inoltre, tale ampiezza:
•
cresce al crescere del fattore di dissimmetria Kd;
•
per un fissato valore di Kd, decresce al crescere
della potenza richiesta dal carico di trazione.
h=2
La severità della dissimmetria dell’alimentazione in un
qualsiasi nodo di rete è molto spesso quantificata attraverso il
fattore di dissimmetria della tensione, Kd, definito come il
rapporto tra la componente di sequenza inversa della tensione
nodale, Vi, e la componente di sequenza diretta della tensione
nodale, Vd, usualmente espresso come valore percentuale:
Kd =
100.
Per limitare gli effetti negativi prodotti da una
alimentazione dissimmetrica ai carichi connessi alla rete,
occorre contenere adeguatamente tale disturbo e,
conseguentemente, limitare il valore del fattore di
dissimmetria Kd in tutti i nodi di rete.
A riguardo, la norma CEI EN 50160 [5] impone, per le reti
in Alta Tensione (AT), valori massimi del coefficiente di
dissimetria (Kd) inferiori al 2%.
Con riferimento agli effetti che una alimentazione
dissimmetrica può provocare sul funzionamento di una SSE in
corrente continua, a seguire si riportano alcuni risultati relativi
all’analisi armonica effettuata su una tipica SSE a 3 kV c.c.
della rete ferroviaria italiana equipaggiata con gruppi di
60
50
Vh [V]
Alimentazionedissimmetrica
diunaSSEinc.c.
40
30
20
10
0
0 ,0
0 ,5
1 ,0
1 ,5
K d [% ]
Fig. 2. Ampiezza della seconda armonica della tensione di alimentazione
della linea di contatto, nel caso di SSE equipaggiata con raddrizzatore a ponte
dodecafase, al variare di Kd
h=2
80
60
Vh [V]
III.
70
40
20
0
1,0
3,0
5,0
7,0
9,0
11,0
Potenza carico [MW]
Fig. 3. Ampiezza della seconda armonica della tensione di alimentazione
della linea di contatto, al variare del carico e per Kd=0.7%, nel caso di una
SSE equipaggiata con gruppi di conversione a ponte dodecafase
In caso di SSE equipaggiate con gruppi di conversione con
ponte esafase, si hanno risultati praticamente identici.
Il motivo per cui la seconda armonica assume valori
elevati è dovuto alla presenza del filtro lato corrente continua
delle SSE. Tale filtro schematizzato in figura 4, è costituito da
una induttanza con in serie un cappio RC; i valori dei
parametri sono: Ldc = 6 mH; Cdc = 360 µF; Rdc = 13.8 kΩ.
In particolare, la figura 5 mostra la risposta in frequenza
del suddetto filtro al variare della Resistenza rappresentativa
del carico di trazione.
Fig. 6. Maschera del contenuto armonico della corrente di trazione
InterazionetrailsistemaAV
edilsistematradizionale3kVc.c.
IV.
Con riferimento all’esercizio della porzione di rete
ferroviaria riportata in figura 1 sono state studiate varie
configurazioni. In particolare i casi analizzati sono stati:
Fig. 4. Rappresentazione circuitale del filtro sul lato corrente continua dei
gruppi di conversione delle sottostazioni in c.c..
Caso A:
Caso B:
Caso C:
Caso D:
Assenza della sottostazione AV di Castello.
Sottostazione AV di Castello alimentata
direttamente dal nodo Calenzano;
Alimentazione delle sbarre Rifredi dal nodo
Calenzano attraverso una linea di collegamento
esistente tra Castello e Rifredi;
Sottostazione A.V. di Castello alimentata dalle
sbarre Rifredi, in totale assenza dell’alimentazione
del nodo di Calenzano.
In tutti i casi analizzati:
- le sbarre di Rifredi sono connesse in parallelo;
- non sono considerate le alimentazioni AT provenienti da
Cascina e da Bologna;
- le sottostazioni della linea storica in c.c., equipaggiate con
due gruppi di conversione, alimentano un carico di
trazione di 4 MW.
Fig. 5. Risposta in frequenza del filtro lato corrente continua al variare della
resistenza di carico
Le figure da 7 a 10 riportano gli schemi unifilari di rete
relativi ai diversi casi studio riportati.
Come si evince dalla figura 5, il filtro esalta la seconda
armonica e i suoi valori sono crescenti al diminuire del carico
di trazione.
Le armoniche di tensione in uscita al raddrizzatore danno
luogo alla circolazione di armoniche di corrente che,
richiudendosi tramite il binario, possono interferire con il buon
funzionamento dei circuiti di binario degli impianti di
segnalamento, con conseguente decadimento della sicurezza
della circolazione treni. Per garantire livelli di sicurezza
accettabili, è necessario fare in modo che le ampiezze delle
armoniche di corrente che interessano il circuito di binario
rispettino la maschera riportata in figura 6 [6].
Fig. 7. Schema unifilare – Caso A
La figura 11 mostra i valori dei THDV rilevati per il caso
studio A; come si nota, i valori non superano il 6%, in tutte le
SSE.
Fig. 8. Schema unifilare – Caso B
Fig. 11. THD Tensioni – Caso A
Con riferimento al caso studio B, la figura 12 riporta i
valori dei THDV rilevati nei nodi di alimentazione delle SSE
in c.c. Come si nota i THDV assumono valori compresi tra il
2,5% e il 6,5 %..
Fig. 9. Schema unifilare – Caso C
La figura 13 riporta, sempre per il caso B, il valore delle
armoniche di corrente a frequenza 100 Hz sul lato c.c. delle
SSE. In tutte le SSE tale valore non supera 1 A e quindi
rispetta il limite imposto. Anche il fattore di dissimmetria Kd,
in questo caso studio, assume in tutti i nodi valori molto
contenuti (sempre inferiore allo 0,12%).
Fig. 10. Schema unifilare – Caso D
Fig. 12. THD Tensioni – Caso B
Tutte le analisi sono state condotte con l’applicativo
SimPowerSystems di Matlab e, in particolare, per ogni
configurazione è stato valutato:
-
il fattore di distorsione armonica totale delle tensioni
(THDV) in tutti i nodi della rete primaria trifase di
trazione a cui sono connesse le SSE;
- il fattore di dissimetria (Kd) in tutti i nodi della rete
primaria trifase di trazione a cui sono connesse le SSE in
c.c.;
- il valore della armonica di corrente di ordine 2 (f=100
Hz) in uscita alle SSE in c.c..
Nel seguito si riportano alcuni dei risultati ottenuti nei
diversi casi studio.
Fig. 13. Corrente a 100 Hz sul binario – Caso B
Nel caso studio C, il THDv nei nodi trifase a cui sono
allacciate le SSE in c.c assume valori elevati, sempre superiori
al 6%. Il fattore Kd, come illustrato in fig. 14, cresce rispetto
ai casi studio precedenti raggiungendo valori dello 0,7%.
La figura 15 mostra, sempre per il caso C, il valore delle
armoniche di corrente a frequenza 100 Hz sul lato c.c. delle
SSE. In questo caso in 3 SSE della linea storica BolognaFirenze il valore supera il limite dei 10 A.
Fig. 17. Corrente a 100 Hz sul binario – Caso D
Fig. 14. Fattore Kd – Caso C
Le simulazioni hanno evidenziato che, al fine di contenere
il THDV, è necessario gestire in maniera separata le 2 sbarre di
Rifredi: in tal modo, i carichi distorcenti delle varie SSE
vanno a gravare su linee indipendenti ed i valori dei THDV
scendono al di sotto del 3%.
Per quanto riguarda l’ipotesi di realizzazione della nuova
SSE di Prato, dalle simulazioni sono emersi valori elevati del
THDV (circa il 10% nei casi A e B, e superiori al 15% nei casi
C e D), dovuti a fenomeni di risonanza tra trasformatore
132/20 kV e cavo a 20 kV. Per contenere il THDV, dovranno
essere installati appositi filtri di armoniche in prossimità della
partenza della linea in cavo a Rifredi o all’interno della stessa
SSE di Prato.
Il caso C può essere ancora compatibile con il normale
esercizio ferroviario, a patto di alimentare, con l’elettrodotto
proveniente da Bologna, le SSE di Vaiano, Cà di Landino e
Grizzana.
Fig. 15. Corrente a 100 Hz sul binario – Caso C
Nel caso studio D, il THDv nei nodi trifase a cui sono
allacciate le SSE in c.c continua ad assumere un valore elevato
superiore al 6%. Anche il fattore Kd (fig. 16) continua a
crescere raggiungendo in molti nodi valori superiori a 1%.
Infine, la figura 17 mostra, sempre per il caso D, il valore
delle armoniche di corrente a frequenza 100 Hz sul lato c.c.
delle SSE. In questo caso in ben 6 SSE sono superati, sul lato
c.c., i 10 A di seconda armonica.
Infine, si evidenzia che la soluzione D, da attuare solo in
caso di completo fuori servizio dei due stalli di Calenzano,
risulta particolarmente problematica dal punto vista delle
correnti a 100 Hz sul binario. In tale configurazione, sarà
necessario imporre limitazioni di velocità ai treni sulla linea
AV, potendo comunque garantire l’alimentazione di soccorso
per la sicurezza in galleria, imposta dalle specifiche tecniche
di interoperabilità [7].
Riferimenti
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
Fig. 16. Fattore Kd – Caso D
G. Carpinelli, P. Caramia, P. Verde: “Power Quality Indices in
Liberalized Markets” John Wiley & Son, Ltd, 2009.
A.Capasso, A.Ghilardi, G.Guidi Buffarini: “Bologna-Florence high
speed railway line: MV emergency traction power supply, operating
conditions and PQ issues”, IEEE ESARS 2010, Bologna.
A. Capasso, R. Lamedica, A. Prudenzi, G. Vallino Costassa: “Mutua
influenza tra i sistemi di elettrificazione ferroviaria a 3 kV c.c. e a 2x25
kV-50 Hz alimentati da un'unica rete in A.T.”, Riunione Annuale AEI,
Ancona, 3-6 Ottobre 1993.
A. Capasso, R. Lamedica, A. Prudenzi, V. Morelli: “Harmonic distortion
caused by d.c. electrified railway systems: a contribution to the setting of
recommended limits”, IEEE IV ICHQP, Budapest, October, 1990.
Norma CEI EN 50160: Caratteristiche della tensione fornita dalle reti
pubbliche di distribuzione dell’energia elettrica.
Disposizione RFI-DTC\A0011\P\2008\0003551. “Maschera del
contenuto armonico della corrente di trazione dei mezzi circolanti sulle
linee alimentate a 3 kV c.c.”.
Direttiva 2008/284/CE: “Specifica tecnica di interoperabilità per il
sottosistema “energia” del sistema ferroviario transeuropeo ad alta
velocità”.
