ELETTROTECNICA
Laurea Ing. Aerospaziale - 1° livello
CENNI DI IMPIANTI
ELETTRICI
Prof. M.S. Sarto
Sistema elettrico
•
Un sistema elettrico può essere:
– Circuito alimentato da un accumulatore (ad esempio:
l’impianto elettrico di un’automobile, un riproduttore
audio portatile)
– Struttura di grandi dimensioni ed estremamente
complessa l’Europa è coperta da un’unica rete
elettrica funzionante in regime sinusoidale a 50 Hz
• In tal caso il sistema elettrico svolge
fondamentalmente tre funzioni:
generazione di potenza elettrica
trasmissione e regolazione della potenza
distribuzione della potenza agli utilizzatori
Sistema elettrico
Un sistema elettrico di produzione, trasmissione e
distribuzione dell'energia elettrica consta
schematicamente dei seguenti elementi:
- Impianti di produzione
- Linee di trasmissione AT;
- Stazioni primarie;
- Linee di distribuzione AT;
- Cabine primarie;
- Linee di distribuzione MT;
- Cabine secondarie;
- Linee di distribuzione BT
Sistema elettrico
CLASSIFICAZIONE DEGLI
IMPIANTI ELETTRICI
CATEGORIA
LIVELLO TENSIONE A.C.
LIVELLO TENSIONE D.C.
0
BT:
BT:
1
BT:
50 V Vn 1000 V
MT:
1 kV Vn 30 kV
AT:
Vn 30 kV
(AAT:
Vn 50 kV)
2
3
Vn 50 V
Vn 120 V
BT:
120 V Vn 1500 V
MT:
1.5 kV Vn 30 kV
AT:
Vn 30 kV
(AAT:
Vn 50 kV)
SCHEMA DI IMPIANTO
ELETTRICO
MT
MT
G
Generazione
in MT
(10-15 kV)
MT/AT
AT/MT
AT
Trasmissione
in AT
(220-380 kV)
Distribuzione in
AT (50-150 kV)
o MT
MT/BT
MT/BT
BT
BT
Utilizzazione in
MT o BT
CENTRALI DI PRODUZIONE
DELL’ENERGIA ELETTRICA
•
•
•
•
•
•
IDROELETTRICHE
TERMOELETTRICHE
TERMONUCLEARI
GEOTERMOELETTRICHE
EOLICHE
SOLARI
Vapore, gas , acqua
Generazione
Regolatore
Misure locali
Comandi remoti
– E’ necessaria una conversione dell’energia
• Si utilizza una turbina (esclusione dell’energia solare) sul cui albero è
calettato un generatore sincrono, detto alternatore, che genera
potenza elettrica in regime sinusoidale e trifase La tensione
concatenata è dell’ordine delle decine di kV
• Il regolatore agisce sia sulla turbina, sia sull’alternatore per
mantenere ai morsetti del generatore la tensione e la frequenza
voluta, nonché la potenza necessaria.
• In genere i gruppi generatori sono del tipo monoblocco: turbinageneratore sincrono-trasformatore elevatore.
• Ciascuna centrale comprende quasi sempre due o più gruppi eserciti
in parallelo sulle sbarre di alta tensione (AT).
CENTRALI IDROELETTRICHE
TURBINA
RISORSA
CARATTERISTICA
Kaplan
Acqua fluente
Bassa velocità
(p elevato)
Francis
Bacino idroelettrico
(bassa caduta)
Media velocità
Pelton
Bacino idroelettrico
(alta caduta)
Alta velocità
(p=1,2)
Reti di Trasmissione
• La trasmissione della potenza avviene quasi sempre con un sistema
trifase.
– A valle dei generatori è posta una cabina di trasformazione che eleva
il livello di tensione concatenata a 220 kV o 380 kV (esigenze
tecniche legate alla necessità di trasferire potenze elevate con
correnti limitate, e di economicità di gestione).
– Le linee di trasmissione sono in Alta Tensione (AT): possono essere
del tipo aereo o, più raramente, in cavo.
– Effettuano la trasmissione su lunghe distanze (100-1000 km).
– La rete di trasmissione è una rete magliata, alimentata da molti
generatori, in modo che sia possibile garantire comunque
l’alimentazione anche in caso di guasto di un generatore o di una linea.
– I lati della rete sono le linee di AT. I nodi sono le stazioni primarie.
Reti di Subtrasmissione
– Ricevono l’energia dai nodi della rete di trasmissione
generalmente attraverso degli autotrasformatori.
– Sono esercite a varie tensioni normalizzate inferiori a
220 kV.
– La rete è di tipo magliato (può essere anche radiale).
– L’estensione può essere a livello regionale, provinciale o
anche comunale nei grandi centri (10-100 km)
– La potenza trasportata: 10-100 MW.
Reti di Distribuzione a MT
– Originano dalle stazioni AT/MT e alimentano le reti di
distribuzione a bassa tensione (BT), tramite numerose cabine
MT/BT.
– Le tensioni di esercizio sono comprese fra i 6 kV e i 35 kV.
– La configurazione varia in relazione alla densità di carico:
• Schemi radiali
• Configurazioni ad anello
• Configurazioni magliate ad esercizio radiale
– Il raggio d’azione dipende dalle densità di carico:
• 1-3 km nelle città importanti;
• massimo di 50 km in zone rurali e poco popolate.
– La potenza trasportata: 0.1-10 MW.
Reti di Distribuzione a BT
– Realizzano l’ultima fase della distribuzione fino alla consegna
a piccole utenze.
– Tensioni normalizzate a 230 V /400 V.
– Le reti BT sono alimentate da cabine MT/BT non presidiate.
– Raggio d’ azione: 100 m (reti urbane radiali in cavo) / 1 km
(linee rurali a 400 V)
– Configurazioni: ad albero / magliate (in grandi centri urbani)
Strutture di reti
• Strutture aperte
- reti radiali
(ad albero)
- reti dorsali
- reti dorsali/radiali
Strutture di reti
Strutture chiuse
- reti ad anello
- reti magliate (a più anelli)
Linee elettriche: linee aeree
Conduttore nudo
Linee elettriche: linee in cavo
Le linee in cavo sono impiegate nelle linee di trasmissione e negli impianti in
media e bassa tensione; possono essere in posa sotterranea o sottomarina,
principalmente, od anche aerea.
I cavi sono realizzati con:
• uno o più conduttori, che servono per il trasferimento dell'energia;
• un isolante solido, che circonda il conduttore e che garantisce l’isolamento;
• una guaina di protezione.
Possono, poi, essere presenti una armatura di protezione meccanica e opportuni
schermi costituiti da materiale semiconduttore o metallico, necessari ad uniformare
il campo elettrico all’interno del materiale isolante
Utilizzazione
• Pochi utilizzatori in AT
• Più comuni sono gli utilizzatori direttamente alimentati in
MT
• Le linee a MT fanno capo a cabine di trasformazione da cui
partono le linee di utilizzazione in bassa tensione (BT):
– Linee trifase a 4 conduttori (con neutro) e con tensione
concatenata pari a 400 V
– Gli utilizzatori in BT si possono suddividere in:
• Trifasi: per potenze relativamente elevate (decine di
kVA), alimentati con tensione concatenata di 400 V
• Monofasi: per potenze modeste, alimentati tra fase e
neutro alla tensione stellata di 230 V
SOVRATENSIONI
Sovratensioni longitudinali: anormali aumenti della differenza
di potenziale fra due punti fisicamente vicini di uno stesso
conduttore (esempio: tra le spire di un avvolgimento).
Sovratensioni trasversali: anormali aumenti del potenziale
degli elementi di un circuito rispetto alla terra o fra conduttori
di fasi diversa del sistema.
SOVRATENSIONI
• CAUSE INTERNE
– Manovre sugli impianti (apertura o
chiusura di interruttori)
– Improvvisa riduzione del carico
– Risonanze
– Contatti accidentali con altro impianto in
esercizio a tensione maggiore
• CAUSE ESTERNE
– Fenomeni di origine atmosferica
(fulminazione diretta o indiretta)
i(t)
IM
i t I 0 exp t Te exp t T f
0.9 IM
0.5 IM
Tf = 0.5 – 1.5 s
Te = 50-100 s
0.1 IM
Tf
I0 = 10-200 kA
Te
time [s]
Il fulmine
FULMINE DISCENDENTE
(polarità negativa)
leader
Return
stroke
FULMINE ASCENDENTE
(polarità negativa)
leader
Return
stroke
IM : corrente di picco
(di/dt)M : tangente massima
Tf : tempo di salita all’emivalore
I M I 0 exp tˆ Te exp tˆ T f
Te
: tempo
di
a I 0
dt M
ˆt 1 ln
Negative (descending)
First stroke Following strokes
Positive
(ascending)
IM [kA]
34
13.4
43
Tf [s]
8.5
1.2
33
Te [s]
73
31
300
(di/dt)M [kA/s]
14
39
2.6
SOVRACORRENTI
• SOVRACCARIC0
– Superamento dei valori di corrente per i quali
una linea o un’apparecchiatura sono
dimensionate (In) (e.g. Spunto dei motori
asincroni in fase di avviamento)
• CORTO CIRCUITO
– Contatto tra due elementi dell’impiantonon
equipotenziali. Le correnti di cto cto possono
essere molto elevate in quanto limitate solo
dall’impedenza a monte del guasto.
SOVRACCARIC0
Principale effetto:
- Aumento della temperatura delle parti attive rispetto alle
condizioni normali di funzionamento
E’ importante:
1) valutare la sovratemperatura finale del circuito (e.g.
cavo) in funzione del sovraccarico (regime)
2) valutare il tempo che il circuito impiega a raggiungere la
sovratemperatura finale (transitorio)
CORTO CIRCUITO
Principali effetti:
-Sollecitazione termica (riscaldamento adiabatico)
-Sollecitazione meccaniche (sforzi elettrodinamici)
L’entità della corrente è diversa in funzione del tipo di
guasto:
- Trifase
- Monofase (fase-fase, fase-neutro)
Corrente di corto circuito massima (guasto trifase a
inizio linea)
Corrente di corto circuito minima (guasto monofase a
fine linea)
APPARECCHI DI MANOVRA E
INTERRUZIONE
• INTERRUTTORI
– Manuali
x
– Automatici
x
Apertura e chiusura di una linea sottocarico anche in
condizioni di corto circuito
PARAMETRI CARATTERISTICI
• TENSIONE NOMINALE DI ESERCIZIO (Ve):
tensione alla quale sono riferite le prestazioni
dell’apparecchio (apertura/chiusura)
• TENSIONE NOMINALE DI ISOLAMENTO (Vi):
tensione alla quale è garantito l’isolamento
dell’apparecchio
• CORRENTE NOMINALE (In): corrente che
l’interruttore può condurre a regime. Assume
valori diversi con riferimento a servizio continuo o
discontinuo.
• POTERE NOMINALE DI INTERRUZIONE (Iin):
corrente di corto circuito che l’interruttore può
interrompere ad una tensione superiore non oltre il
10% di Ve.
• POTERE NOMINALE DI CHIUSURA SU CORTO
CIRCUITO (Icn): corrente di corto circuito sulla
quale l’interruttore può essere chiuso ad una
tensione superiore non oltre il 10% di Ve.
• CONTATTORI
– Manuali
– Automatici
Interruzione delle sole correnti di normale esercizio
• SEZIONATORI
– Manuali
– Automatici
Interruzione della continuità elettrica in linee a vuoto
(I=0)
N.B. Nella fase di interruzione del circuito si apre
prima l’interruttore e poi il sezionatore.
SEZIONATORE
Sezionatore in MT con lame a coltelli
• FUSIBILI
Dispositivo di protezione dalle sovracorrenti:
interrompe correnti di corto circuito elevate.
T [s]
Zona di intervento
In : corrente
nominale
Inf : corrente
massima di sicura
non fusione
If : corrente
minima di sicura
fusione
Campo di
integrità
Icc : corrente di
corto circuito
In Inf If
Icc
I [A]
PROTEZIONE DA
SOVRATENSIONI
Protezione preventiva (non impedisce le sovratensioni):
• Schermatura con funi di guardia (per fulminazione)
• Principio di coordinamento degli isolamenti:
Proporzionamento dell’isolamento sul confronto fra capacità di tenuta dei
vari elementi e sollecitazioni cui è sottoposto il dielettrico.
(non economicamente vantaggioso per cause esterne)
Protezione repressiva (limita le sovratensioni):
• Dispositivi di protezione (SPD: surge protection
devices)
DISPOSITIVI DI PROTEZIONE
DA SOVRATENSIONI
Caratterististica tensione-corrente non lineare:
• alta impedenza rispetto a terra durante le
condizioni normali di funzionamento
• corto circuito a terra in presenza di una
sovratensione
v(t)
Condizione normale di funzionamento:
v(t)
Circuito aperto – impedenza
molto elevata
In presenza di sovratensione:
v(t)
Corto circuito – impedenza
molto bassa
Spinterometri
Scaricatori ad asta
Scaricatori a gas
(Migliore controllo della
tensione di intervento)
• Alta capacità di assorbimento
dell’energia della sovratensione
• Tensione che decresce
rapidamente dopo l’intervento
Varistori ad ossido
di metallo
• Tensione quasi costante sul
carico in presenza della
sovratensione
Diodi soppressori
• Non possono condurre
correnti elevate
• Tensione costante sul carico
in presenza della
sovratensione
Spinterometri in aria
Lo spinterometro è costituito da due elettrodi metallici separati da
un certo intervallo di aria e collegati in derivazione fra conduttore e
terra.
Presenta un’impedenza elevata in assenza di sovratensione (assenza
di corrente di fuga alla tensione di esercizio). Quando avviene
l’innesco riduce rapidamente a pochi volt la tensione ai capi.
Il valore della tensione di innesco non è sempre costante perché
dipende dalle condizioni di pressione, umidità e presenza di impurità
nell’aria.
Robusto, semplice e poco costoso.
Una volta adescato, non è generalmente in grado di interrompere la
corrente (conseguenze mitigate dall’ installazione di interruttori a
richiusura automatica).
Spinterometro a gas
(Migliore controllo della tensione di intervento)
Costituiti da due o più elettrodi metallici ermeticamente
chiusi all’interno di un contenitore pieno di gas:
Negli spinterometri in gas la tensione d’innesco risulta
generalmente più costante perché la scarica avviene in un
involucro protetto rispetto l’ambiente.
Si riduce però, rispetto ad uno spinterometro in aria, la
capacità di scarica perché diventa più problematico smaltire
il calore prodotto dall’arco.
Le caratteristiche diverse di gas arresters, varistori
e diodi soppressori possono essere combinate nella
realizzazione di circuiti di protezione multistadio
~v1
CAP 1
1k
10
P6T
vv1 1
~v2
10
50 V
CAP 1
Vv
33
v2
UC 230
~v 3
15 V
50
Sovratensione transitoria
Tf = 1 s
[V]
Te = 50 s
VM = 2.1 kV
2500
2000
1500
1000
500
0
0.01
0.1
1
10
time [s]
100
1000
v1
tensione misurata
sul primo stadio
100 V/div
100 ns/div
v3
tensione misurata
sul terzo stadio
5 V/div
100 ns/div
Interruttori automatici
• Si costituiscono di 4 componenti fondamentali:
– Contatti
Fissi e mobili; principali e d’arco
– Camere di interruzione
Facilitano il rapido spegnimento dell’arco
Rendono difficile il riadescamento
– Comando
Elementi cinematici che trasformano l’energia ad essi applicata in movimento
degli elettrodi
– Sganciatori (Relè)
Dispositivi meccanici che liberano gli organi di ritegno e consentono
l’apertura dell’interruttore
Problema dell’Arco Elettrico:
soffiatura
pneumatica
soffiatura
magnetica
All'apertura di un contatto il campo elettrico presente può superare il valore di rigidità
dielettrica del mezzo in cui i contatti sono immersi. Si può innescare un arco voltaico che si
può mantenere anche ad un successivo aumento della distanza tra i contatti.
Per effetto dell'arco il flusso di corrente non viene interrotto:
- viene a mancare lo scopo dell'interruttore;
- la temperatura del plasma causa il danneggiamento del dispositivo.
=>importanza di una rapida estinzione dell'arco.
RELE’
• CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLA GRANDEZZA
ALLA QUALE SONO SENSIBILI:
– Voltmetrici
– Amperometrici
– Wattmetrici
– Frequenzimetrici
– Ad impedenza
– Termici
– Tachimetrici
• CLASSIFICAZIONE IN BASE AL PRINCIPIO DI
FUNZIONAMENTO:
– Elettromagnetici
– Elettrodinamici
– Ad induzione
• CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLA GRANDEZZA
DA ANALIZZARE:
– Di massima
– Di minima
– Differenziale
Esempio schematico di relè elettromagnetico
Esempio schematico di relè termico a lamine bimetalliche
RELE’ MAGNETICO
Tempo
Caratteristica
di intervento
Tin
Is = 8-10 In
Corrente
RELE’ TERMICO
Tempo
Caratteristica
di intervento
5 sec
I 5 sec = 4 In
Corrente
RELE’ MAGNETO-TERMICO
Tempo
Caratteristica
di intervento
Tin
Is = 8-10 In
Corrente
OSSERVAZIONE:
I relè magnetico, termico, magnetotermico
intervengono SEMPRE per corrente SUPERIORE alla
corrente nominale dell’impianto (da 4 ad 8-10 volte).
Ad esempio, in un’utenza domestica con corrente
nominale di 15 A, la corrente di intervento non è
inferiore a 60 A.
La corrente pericolosa per l’uomo è di 50 mA !
RELE’ DIFFERENZIALE
Corrente di intervento molto minore alla corrente
nominale dell’impianto:
IMPIANTI INDUSTRIALI:
I = 300 mA
UTENZE DOMESTICHE:
I = 30 ma
UTENZE PARTICOLARI:
I = 10 ma
SISTEMA DI UTILIZZAZIONE
IN BT: stato nel neutro
MT/BT
BT
Utenze monofasi o trifasi
• Sistema IT
• Sistema TT
• Sistema TN
1° lettera: stato del neutro
del secondario del
trasformatore MT/BT
2° lettera: stato delle
masse delle utenze
IMPIANTI DI TERRA
• Norma CEI 64-8
• Norma CEI 11-8
• Norma CEI 81-1
SCOPO DELL’IMPIANTO DI TERRA:
1) Offrire una via di ritorno alle correnti di guasto
diversa da quella offerta dal corpo umano
2) Determinare l’intervento delle protezioni in tempi
opportuni
3) Rendere equipotenziali strutture metalliche
suscettibili di essere toccate contemporaneamente.
COMPONENTI DI UN IMPIANTO
DI TERRA
Conduttore di
protezione
Conduttori equipotenziali
Conduttori di terra
dispersori
Tensione di passo
Tensione che può risultare applicata tra i piedi di una
persona a distanza di un passo durante (1 m) un
cedimento dell’isolamento
Tempo eliminazione del guasto [s] Tensione massima di passo [V]
>2
50
1
70
0.8
80
0.7
85
0.6
125
< 0.5
160
