Reti elettriche: teoria e applicazioni.
Linee.
Paolo Pelacchi
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:
1.
Comportamento meccanico ed elettromeccanico.
2.
Comportamento termico.
3.
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.
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2
Linee aeree
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3
Linee aeree
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4
Linee aeree
Sud Africa
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5
Linee aeree
svezia
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Linee aeree
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7
Linee aeree
olanda
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Linee aeree
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Linee aeree
california
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Linee aeree
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11
Linee aeree
UK
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12
Linee aeree
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Linee aeree
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14
Linee aeree
indonesia
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Linee aeree
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Linee aeree
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Linee aeree
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Linee aeree
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Linee aeree
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20
Linee aeree
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Linee aeree
canada
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Linee aeree
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Linee aeree
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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
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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.
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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).
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Linee aeree: problemi elettromeccanici
- La forza applicata per unità di lunghezza a due conduttori
paralleli percorsi entrambi da una corrente I è:
0 I
F
2 d
2
- 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.
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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.
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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.
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Linee aeree e fulminazione
fulminazione
indiretta
fulminazione
diretta
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Linee aeree e fulminazione
Fulminazione indiretta in prossimità di una linea in alta tensione
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Linee aeree e fulminazione
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Linee aeree e fulminazione
Fulminazione diretta in una linea in bassa tensione
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Linee aeree e fulminazione
Fulminazione diretta in linee aeree in bassa tensione
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Linee in cavo
HVDC cables
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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
Isolante
Guaina metallica
Milliken 2000 mm2
XLPE
Alluminio saldato
Turbigo - Rho 400 kV
Cavo per alta tensione in olio
condotto olio
conduttore
isolante
schermi
isolante esterno (cintura)
armatura metallica
guaina esterna
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CAVO PER MT TRIPOLARE
conduttore
settoriale
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CAVO PER BT TRIPOLARE
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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.
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Modelli elettrici delle linee
E = g(V,1/d)
H = f( I,1/d)
I
H
d
P
s
r
Q
t
V
E
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Modelli elettrici delle linee
- Le espressioni sotto riportate ipotizzano che il due
campi (elettrico e magnetico) agiscano in maniera
indipendente.
q
q c vc vc
c
dq
i
q i dt
dt
1
vc i dt
c
con
l
con l il
il
d con
dil
vl
l
dt
dt
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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)
0
D
z ' R' j l ' R' j
2 ln
4
req
2 0
y ' j c' j
D
ln
req
D 3 D12 D13 D23
req n r
2
n 1
n
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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.
1
0,8
R’/X’
0,4
0,2
0
380
kV
132
kV
20
kV
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Modelli elettrici delle linee
- Impedenze caratteristiche tipiche delle linee italiane
600
Potenze caratteristiche
Pcar-400 = 640 MW
Pcar-220 = 130 MW
Pcar-132 = 45 MW
500
Zc
300
200
100
0
380
kV
132
kV
20
kV
- La potenza caratteristica è definita dalla seguente espressione
U n2
Pcar
Z0
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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.
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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.
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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
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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
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Costi
- Costi delle linee per unità di potenza.
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