STUDIO DELL’INTERAZIONE TRA LINEE DI POTENZA E SISTEMA
DI SEGNALAMENTO FERROVIARIO
Alberto Dolara, Sonia Leva
Dipartimento di Energia
Politecnico di Milano
Via La Masa, 34, 20156 Milano
L’attività di ricerca riguarda la modellizzazione e la simulazione degli impianti
elettrici che costituiscono il sistema elettrico ferroviario, formato dai circuiti di trazione e di
segnalamento.
La costruzione delle nuove linee ferroviarie ad alta velocità (AV/AC) italiane secondo gli
attuali criteri di progetto ha aperto una serie di problematiche legate alla compatibilità del
sistema elettrico ferroviario nei confronti di altri sistemi elettrici posti in prossimità di esso, e
quindi interagenti per via elettromagnetica. Tali linee ferroviarie, alimentate in corrente
alternata monofase secondo lo schema 2x25 kV – 50 Hz, risultano affiancate per tratti
significativamente lunghi sia dalle linee trifase in alta tensione per alimentazione delle
sottostazioni della linea ferroviaria stessa, sia da porzioni di altre linee ferroviarie alimentate
in modo tradizionale a 3 kV in corrente continua. La conseguente interazione tra i citati
sistemi elettrici può essere causa di malfunzionamenti, comportamenti anomali o guasti agli
impianti di segnalamento. Risulta quindi necessario disporre di opportuni modelli matematici
che consentano lo studio dell’interazione tra tali sistemi, sia per valutare in sede progettuale i
livelli di disturbo e predisporre le opportune strategie di contenimento degli stessi, sia per
verificare la compatibilità delle singole apparecchiature impiegate all’interno del sistema
complessivo già in fase progettuale.
La ricerca, tutt’ora in atto, si articolata attraverso tappe intermedie che possono essere
sintetizzate come segue.
Definizione del modello delle connessioni filari e metodologie di calcolo dei
parametri.
Le connessioni filari sono trattate come un sistema multiconduttore con ritorno nel terreno. Le
diverse metodologie per il calcolo in forma chiusa dei parametri che caratterizzano questo tipo
di modello sono state analizzate e ne sono stati individuati i principali limiti di applicabilità a
questo tipo di sistema. E’ stato messo a punto un metodo numerico, basato sugli elementi
finiti, che consente di superare buona parte delle limitazioni individuate.
Calcolo dei parametri interni di rotaia.
Le rotaie sono uno degli elementi più importanti all’interno di un sistema elettrico ferroviario,
essendo il conduttore comune ai circuiti di trazione e di segnalamento e,
contemporaneamente, l’interfaccia tra tali circuiti ed il terreno. La necessità di determinare
con particolare attenzione i parametri associati ad esse, nonostante la complessità della loro
forma caratteristica e la natura fortemente non-lineare ed isteretica dell’acciaio ha richiesto un
approccio numerico, basato su software agli elementi finiti, e l’introduzione di una opportuna
funzione di permeabilità magnetica complessa.
Definizione dei modelli delle apparecchiature connesse al sistema.
I modelli delle sottostazioni, dei convogli, degli elementi circuitali degli impianti di
segnalamento e delle connessioni tra conduttori appartenenti alle connessioni filari devono
essere definiti ed inseriti nel modello complessivo che rappresenta il sistema nella sua
interezza e nelle sue condizioni di funzionamento.
Simulazione del sistema nel dominio della frequenza e nel dominio del tempo.
Data l’elevata complessità del sistema e la presenza di numerosi elementi disposti lungo le
connessioni filari, non è possibile ricercare la soluzione in forma chiusa. I risultati, quali
risposte in frequenza o comportamenti transitori del sistema, verranno determinati utilizzando
modelli a parametri concentrati della connessione filare, implementando il modello
complessivo in opportuni software di simulazione circuitale, quali SimPowerSystem o ATP.
Analisi parametrica del sistema
La variazione dei parametri del modello multiconduttore permette di valutare l’interazione tra
i sottosistemi in funzione di uno o più parametri geometrici del sistema, quale ad esempio la
distanza tra il sottosistema interferente ed il sottosistema interferito.
Modelli analitici di tipo semplificato
L’analisi in forma chiusa permette una notevole riduzione del tempo di elaborazione e delle
risorse computazionali necessari per la soluzione numerica del sistema. Data l’elevata
complessità del sistema, risulta necessario adottare modelli semplificati che, per contro,
permettono solo di stimare i livelli di disturbo oggetto di indagine.
Fig. 1. Simulazione FEM su una rotaia UIC-60 UNI percorsa da corrente alternata a 50 Hz. Da questo modello
si determinano i parametri interni di questo tipo di conduttore.
Bibliografia
[1] S. Leva, A.P. Morando, “Analysis of Physically Symmetrical Lossy Three-phase
Transmission Lines in Term of Space Vectors”, IEEE Transactions on Power Delivery,
Vol.21, No.2, April 2006, pp.873-882
[2] S. Leva, A.P. Morando, P. Colombaioni, “Dynamic Analysis of a High Speed Train”,
IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 57, No.1, January 2008, pp. 107-119
[3] A. Dolara, S. Leva, “Rail internal impedance calculation by using FEM methods”,
Accettato per la pubblicazione nelle proceedings di ISEF2009
