GENERALITA’ SUI SISTEMI
ELETTRICI
Appunti a cura dell’Ing. Emanuela Pazzola
Tutore del corso di Elettrotecnica per meccanici, chimici e
biomedici
A.A. 2005/2006
Facoltà d’Ingegneria dell’Università degli Studi di Cagliari
CAPITOLO 1. GENERALITA’ SUI SISTEMI ELETTRICI
1. Introduzione…………………………………………………...….pag. 2
2. Costituzione del sistema elettrico per l’energia…...……....pag. 3
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CAPITOLO 1
GENERALITA’ SUI SISTEMI ELETTRICI
1. Introduzione
Il trasferimento dell’energia elettrica dai luoghi di produzione ai punti di consumo
avviene nella generalità dei casi in corrente alternata trifase.
Tale scelta è dettata da un insieme di motivazioni di carattere economico e tecnico e
principalmente per:
•
la possibilità di utilizzare il trasformatore: una macchina statica estremamente
semplice e robusta, che consente di adattare il valore della tensione nel
sistema elettrico ai livelli più adatti alla produzione, trasmissione,
distribuzione ed utilizzazione dell’energia elettrica prodotta;
•
la maggiore facilità che si ha nell’interrompere correnti alternate, negli istanti in
cui la corrente alternata si annulla;
•
la possibilità di impiegare per la produzione dell’energia elettrica il generatore
sincrono, che è una macchina più affidabile delle dinamo, soprattutto nel caso
in cui il motore primo è costituito da una turbina a vapore che lavora ad alte
velocità;
•
possibilità di utilizzare su larga scala i motori asincroni monofase e trifase, che
sono macchine versatili, robuste con grande elasticità di funzionamento (in
grado di sostenere sovraccarichi).
In particolare
1. il motore trifase, a parità di carico, di tensione e di perdite consente una
economia del 25% sul materiale del conduttore
2. il generatore sincrono trifase rispetto al generatore monofase garantisce
maggiore stabilità di funzionamento
3. i costi del materiale conduttore delle linee trifasi é inferiori a quelli del
sistema monofase .
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È bene, però, osservare che, pur essendo gli impianti in corrente alternata
trifase praticamente quelli universalmente impiegati ormai da quasi cento anni,
esistono alcuni casi di importanza non trascurabile, in cui si impiegano ancora la
corrente alternata monofase o gli impianti per la trasmissione in corrente continua.
Ad esempio, il sistema monofase in corrente alternata trova impiego
nell’ambito degli impianti per la trazione elettrica e nel caso della distribuzione in
bassa tensione, mentre gli impianti di trasmissione dell’energia elettrica in corrente
continua vengono impiegati sia quando è necessario trasmettere energia elettrica a
grandi distanze, per i motivi accennati in precedenza, sia quando, dovendo
attraversare il mare, si può usare quest’ultimo come conduttore di ritorno, con ovvi
risparmi economici.
Per esempio realizzazioni di linee in corrente continua sono: la linea di
trasmissione sottomarina in c.c. della rete italiana con cavo di interconnessione
Sa.Co.I. (Collegamento triterminale che unisce Sardegna, Corsica e Italia
Peninsulare), la linea di trasmissione sottomarina in c.c. con un cavo di collegamento
tra Italia e Grecia ed la linea di trasmissione sottomarina in c.c., attualmente in via di
realizzazione, con cavo sottomarino Sa.Pe.I. (Collegamento biterminale tra Sardegna
e Penisola Italiana).
2. Costituzione del sistema elettrico per l’energia
Un sistema elettrico è generalmente composto dai seguenti sottosistemi:
- Nodi di produzione: sono in pratica le Centrali Elettriche (idroelettriche,
termoelettriche, etc.);
- Linee di trasmissione ed interconnessione: sono collegamenti in alta ed altissima
tensione, realizzati con conduttori aerei sorretti da apposite palificazioni metalliche
(tralicci o sostegni) ed impiegati per trasporto della energia elettrica dai nodi di
produzione ai punti di consumo.
Normalmente i nodi di produzione sono pochi, con potenza prodotta concentrata. Le
esigenze logistiche (esempio: per le centrali termoelettriche la necessità di favorire
l’approvvigionamento di combustibile in prossimità di porti di mare o fluviali e la
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necessità di grosse quantità d’acqua per il raffreddamento. Per le centrali
termoelettriche la locazione delle centrali è legata alla disponibilità naturale delle
fonti)
Le linee di trasmissione possono essere di due tipi:
a) Linee di trasmissione primarie: connettono le centrali ai nodi primari di
smistamento,
detti
a
loro
volta
sottostazioni
di
distribuzione
o
più
semplicemente sottostazioni;
Fig. 1 Traliccio per linee di trasmissione primarie
b) Linee di trasmissione secondarie: partono dalle sottostazioni ed alimentano,
a livello locale, la distribuzione dell’energia elettrica.
Le Linee di distribuzione sono collegamenti in media e bassa tensione,
realizzati su palificazioni o mediante cavi sotterranei, impiegati per ripartire l’energia
tra i vari utilizzatori finali di tipo industriale o residenziale. La fig. 2 illustra diversi
esempi di sostegni a stelo per linee di distribuzione MT.
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Fig. 2 Sostegni a stelo: a) Palo in legno per linea 15 kV e telefonica di servizio; b) Palo in cemento armato
centrifugato per linea 15 kV e telefonica di servizio; c) Palo in acciaio tubolare per linea 15 kV e telefonica
di servizio;d) Palo in cemento armato centrifugato per linea 60 kV.
I sistemi elettrici delle singole nazioni europee e mondiali sono in gran parte
interconnessi tra loro sia per garantire una maggiore stabilità e qualità del servizio,
sia per consentire la continuità di servizio attraverso continui scambi di energia
regolati da complessi regimi economici.
Per consentire tali interconnessioni, è stato necessario standardizzare i valori delle
grandezze elettriche, come la tensione e la frequenza.
In ambito europeo la frequenza di rete è pari a 50Hz. La variazione massima
consentita (1%) per il corretto funzionamento di generatori ed utilizzatori è assicurata
attraverso il costante controllo delle produzioni e dei consumi a livello nazionale dai
singoli TSO (Transmission System Operators) ed a livello internazionale da un
Coordinatore Centrale Europeo (UCTE).
La scelta del livello di tensione adeguato per ognuno dei sottosistemi descritti
(dalla produzione alla distribuzione) è anch’ esso uniformato a livello internazionale, e
dipende da motivazioni tecnico-economiche (uniformità e standardizzazione dei valori
commerciali).
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Inoltre poiché la potenza elettrica in transito su una determinata linea è
proporzionale al prodotto tra il valore della tensione nominale e della corrente
nominale che la attraversa:
P (MW) α V (V) * I (A)
per ottenere un elevato rendimento di trasmissione dell’energia elettrica, occorre
ridurre quanto più possibile le perdite di trasmissione che possono essere di due tipi:
a) Perdite per effetto Joule, direttamente proporzionali al quadrato della
corrente che percorre la linea;
b) Perdite per effetto corona, direttamente proporzionali alla tensione di linea.
Dalla relazione precedente si evince che a parità di potenza trasmessa, aumentando
la tensione, si ottiene una diminuzione dell’intensità della corrente di linea
proporzionale alle perdite per effetto Joule.
Nelle centrali elettriche l’energia elettrica viene prodotta con valori di tensione
compresi tra 6 ed i 12 kV, che per la trasmissione della energia vengono innalzati a
di 380 kV mediante l’utilizzo di appositi trasformatori elevatori di tensione.
Per questo motivo nelle lunghe linee di trasmissione primarie e secondarie utilizzate
per il trasporto di ingenti potenze, le tensioni di esercizio sono le più alte possibili.
I valori standard europei sono 400-380kV (Linee ad Altissima Tensione, o AAT) e
220-150kV (Linee ad Alta Tensione o AT).
Il livello di tensione in MT è in via di unificazione su tutto il territorio nazionale
al valore di 20 kV (a tutt’oggi esistono anche linee MT con V = 10-15 kV).
Le zone abitate sono interconnesse alla rete principale di trasmissione attraverso
linee di distribuzione in Media Tensione (MT), che fanno capo alle varie stazioni di
conversione (cabine di trasformazione MT/BT). Infine attraverso le sottostazioni
MT/BT avviene il collegamento alle linee a bassa tensione (BT) nelle quali i livelli di
tensione sono rispettivamente uguali a 380 V trifase e 220V monofase.
La fig. 3 illustra uno schema semplificato della rete di produzione, trasmissione e
distribuzione dell’energia elettrica.
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In essa, per semplicità si è rappresentata un unica centrale di produzione, e sebbene
si tratti di un sistema di tipo trifase, si è adottata una rappresentazione di tipo
unifilare.
Fig. 3 Schema semplificato della rete di produzione, trasmissione e distribuzione.
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