IL RIFASAMENTO
La necessità del rifasamento
Il rifasamento degli impianti ha acquistato importanza dal momento che l’ente di
distribuzione dell’energia elettrica ha imposto clausole contrattuali [1] che di fatto
obbligano l’utente a rifasare il proprio impianto, per una migliore e più economica
utilizzazione dell’energia.
In particolare, per gli impianti in bassa tensione e con potenza impegnata
maggiore di 15 kW:
1.
2.
3.
quando il fattore di potenza medio mensile è inferiore a 0,7, l’utente è
obbligato a rifasare l’impianto (zona rossa nella tab. 1);
quando il fattore di potenza medio mensile è compreso tra 0,7 e 0,9, non c’è
l’obbligo di rifasare l’impianto ma l’utente paga una penale per l’energia
reattiva (zona gialla nella tab. 1);
quando il fattore di potenza medio mensile è superiore a 0,9, non c’è
l’obbligo di rifasare l’impianto e non si paga nessuna penale per l’energia
reattiva (zona verde nella tab. 1).
L’utente è quindi sollecitato a rifasare almeno fino ad un cos φm = 0,9. Potrebbe
però avere convenienza ad un rifasamento anche maggiore per i benefici che ne
derivano dalle minori perdite e cadute di tensione nel proprio impianto.
Il rifasamento deve comunque essere effettuato, secondo le vigenti normative, in
modo che, in nessun caso, l’impianto dell’utente eroghi energia reattiva di tipo
capacitivo alla rete.
Il fattore di potenza
p
ap
za
n
e
t
Po
A=
A)
(kV
e
t
n
are
P = Potenza attiva (kW)
Fig. 1 - Triangolo delle potenze
1
Q = Potenza reattiva (kVAR)
Gli impianti elettrici che alimentano gli apparecchi utilizzatori sono dimensionati
in proporzione alla potenza apparente, che corrisponde al prodotto della tensione
per la corrente.
In certi apparecchi utilizzatori (come le lampade a filamento, gli scaldacqua, certi
tipi di forno) la potenza apparente assorbita è tutta potenza attiva. Questa produce
nel tempo energia attiva utilizzata nelle sue varie forme: calore, luce.
Invece negli apparecchi utilizzatori con avvolgimenti (motori, saldatrici, lampade
fluorescenti con alimentatori, trasformatori) una parte della potenza apparente
assorbita viene impegnata per eccitare i circuiti magnetici e non è quindi
impiegata come potenza attiva, bensì come potenza magnetizzante comunemente
chiamata potenza reattiva.
Potenza apparente, potenza attiva e potenza reattiva stanno tra loro come
l’ipotenusa e i cateti di un triangolo rettangolo (ved. fig. 1), dove:
P ( potenza attiva ) = A ( potenza apparente) ⋅ cos ϕ
Q ( potenza reattiva) = A ( potenza apparente) ⋅ senϕ
(1)
(2)
Il fattore di potenza (cos ϕ ) è definito dal rapporto tra la potenza attiva e la
potenza apparente, ma si può anche ricavare in funzione della potenza attiva e di
quella reattiva:
cos ϕ =
P ( potenza attiva )
=
A ( potenza apparente)
P
P2 + Q2
1
=
⎛Q⎞
1+ ⎜ ⎟
⎝P⎠
2
(3)
Il fattore di potenza è uguale a 1 nel primo caso sopra considerato (solo potenza
attiva assorbita), inferiore a 1 nel secondo caso. Il fattore di potenza si indica con
cos ϕ (che si legge cosfì). Quando la potenza attiva è molto inferiore alla potenza
apparente, si ha un basso fattore di potenza.
Se si considerano assorbimenti costanti nell’unità di tempo, il fattore di potenza si
può determinare sulla base delle letture del contatore di energia attiva e del
contatore di energia reattiva, considerando che il fattore di potenza è praticamente
uguale a (ved. formula n. 3):
1
cos ϕ ≅
(4)
2
⎛E ⎞
1 + ⎜⎜ r ⎟⎟
⎝ Ea ⎠
Tab. 1 – Determinazione del fattore di potenza medio dalle letture dei contatori
di energia reattiva (Er) e attiva (Ea)
Er / Ea
Cos ϕ
Er / Ea
Cos ϕ
Er / Ea
Cos ϕ
Er / Ea
Cos ϕ
0,11÷0,17
0,99
0,59÷0,60
0,86
0,93÷0,95
0,73
1,32÷1,35
0,60
0,18÷0,23
0,98
0,61÷0,63
0,85
0,96÷0,97
0,72
1,36÷1,38
0,59
0,24÷0,27
0,97
0,64÷0,66
0,84
0,98÷1,00
0,71
1,39÷1,42
0,58
0,28÷0,31
0,96
0,67÷0,68
0,83
1,01÷1,03
0,70
1,43÷1,46
0,57
0,32÷0,34
0,95
0,69÷0,71
0,82
1,04÷1,06
0,69
1,47÷1,50
0,56
0,35÷0,38
0,94
0,72÷0,73
0,81
1,07÷1,09
0,68
1,51÷1,54
0,55
0,39÷0,41
0,93
0,74÷0,76
0,80
1,10÷1,12
0,67
1,55÷1,58
0,54
0,42÷0,44
0,92
0,77÷0,79
0,79
1,13÷1,15
0,66
1,59÷1,62
0,53
0,45÷0,47
0,91
0,80÷0,81
0,78
1,16÷1,18
0,65
1,63÷1,66
0,52
0,48÷0,49
0,90
0,82÷0,84
0,77
1,19÷1,21
0,64
1,67÷1,71
0,51
0,50÷0,52
0,89
0,85÷0,86
0,76
1,22÷1,25
0,63
1,72÷1,75
0,50÷
0,53÷0,55
0,88
0,87÷0,89
0,75
1,26÷1,28
0,62
0,56÷0,58
0,87
0,90÷0,92
0,74
1,29÷1,31
0,61
2
Se indichiamo con Er e Ea rispettivamente l’energia reattiva (in kVARh) e attiva
(in kWh) consumate in un certo periodo (dedotte dalle letture dei rispettivi
contatori) e facciamo il rapporto Er/Ea, nella tab. 1 in corrispondenza di tale
rapporto ricaviamo direttamente il valore del fattore di potenza.
Se, ad esempio, in quel predeterminato periodo, si è rilevato un consumo di
10.000 kWh e 6.800 kVARh si ha:
Er
6.800
=
= 0,68
E a 10.000
dalla tab. 1, in corrispondenza di tale valore, si ricava un cos ϕ = 0,83.
Le eventuali penali per l’energia reattiva vengono calcolate dall’ente distributore
dell’energia elettrica sulla base del fattore di potenza medio nel periodo di
fatturazione.
Che cos’è il rifasamento?
Si definisce “rifasamento” qualsiasi provvedimento inteso ad aumentare (o come
si dice comunemente a “migliorare”) il fattore di potenza di un dato carico, allo
scopo di ridurre, a pari potenza attiva assorbita, il valore della corrente che circola
nell’impianto.
Il fattore di potenza si può migliorare innanzitutto utilizzando in modo razionale
gli apparecchi elettrici. In particolare, motori e trasformatori non debbono
funzionare a carico ridotto per tempi molto lunghi o a vuoto (e pertanto vanno
correttamente dimensionati!), onde evitare che il rapporto tra la potenza reattiva
(per la corrente magnetizzante) e la potenza attiva (utile per essere trasformata in
lavoro meccanico, calore, luce, ecc.) sia superiore o uguale a 0,5 (ved. tab. 1).
Quando è necessario, il provvedimento più economico consiste nell’installazione,
in parallelo al carico da rifasare, di condensatori statici di appropriata capacità.
Mentre gli apparecchi con avvolgimenti assorbono per il loro funzionamento
potenza reattiva, un condensatore inserito in un circuito elettrico genera tale tipo
di potenza. Si ha così una compensazione e il fattore di potenza dell’impianto
risulta migliorato.
IL
IU
resistenza di linea
Fig. 2 – circuito utilizzatore
3
di rifasamento
IC
batteria di condensatori
apparecchio utilizzatore
resistenza di linea
Nel circuito di fig. 2, rappresentativo della quasi totalità degli impianti elettrici
che sono generalmente ohmico-induttivo,
-
prima dell’inserimento del condensatore di rifasamento, la corrente IL sulla
linea (fig. 3), coincidente con la corrente IU assorbita dall’apparecchio
utilizzatore, può essere rappresentata da due componenti: una corrente attiva
Ia (in fase con la tensione applicata all’apparecchio) ed una corrente reattiva
Ir di tipo induttivo (in ritardo di 90°);
-
inserendo il condensatore, a parità di corrente attiva assorbita, la corrente
sulla linea si riduce (IL’ di fig. 4), dato che il condensatore assorbe anch’esso
una corrente reattiva, ma in anticipo di 90° rispetto alla tensione,
compensando in parte quella reattiva dell’apparecchio utilizzatore.
V
V
Ia
Ia
IL
Ir
Fig. 3 – corrente linea senza condensatore
IL'
Ir - IC
IC
IL
Ir
Fig. 4 – corrente linea con condensatore
Dato che la diminuzione della corrente si traduce in una riduzione delle perdite di
energia (ad es., per effetto joule sulla resistenza della linea di distribuzione) ed in
una diminuzione delle potenze apparenti degli apparecchi (con risparmio sul
dimensionamento) in tutto l’impianto elettrico a monte del rifasamento, è evidente
la convenienza di un rifasamento il più capillare possibile, prossimo ai punti dove
la potenza reattiva di tipo induttivo viene assorbita.
Naturalmente la potenza dei condensatori necessari per rifasare un impianto deve
essere calcolata in modo da conseguire l’effetto desiderato (riduzione del fattore
di potenza), senza però incorrere in eccessi di potenza reattiva generata (di tipo
capacitivo). In nessun caso, secondo le vigenti normative di legge, l’impianto
dell’utente deve erogare potenza reattiva verso la rete.
La potenza da installare per rifasare un impianto da cos ϕ a cos ϕ’ viene calcolata
con la seguente semplice espressione:
dove:
Q
P
Q = P (tgϕ − tgϕ ' )
(5)
è la potenza reattiva della batterie di condensatori da installare, in
kVAR;
è la potenza attiva assorbita dall’impianto, in kW;
4
tg ϕ e tg ϕ’ rappresentano il rapporto tra la potenza reattiva e la potenza attiva
(ved. il triangolo delle potenze di fig. 1) calcolato nelle diverse
situazione di carico (fig. 3 e fig. 4).
I valori di tg ϕ e tg ϕ’ (rapporti tra potenze) coincidono con i rapporti Er/Ea
(rapporti tra le corrispondenti energie) della tab. 1, purchè vengano considerati
assorbimenti costanti nell’unità di tempo.
Ad esempio, volendo rifasare fino a cos ϕ = 0,9 un impianto che preleva
mediamente dalla rete 50 kW con un cos ϕ = 0,5 occorre una batteria di
condensatori di potenza:
Q = 50 × (1,75 − 0,48) = 50 × 1,27 = 63,5 kVAR
(I valori di 1,75 e 0,48 si ricavano dalla tab. 1 in corrispondenza dei fattori di
potenza iniziale e finale).
Nel caso di fornitura di energia a fasce orarie, se si vuole determinare la potenza
necessaria per il rifasamento in qualunque condizione di funzionamento, il calcolo
andrebbe ripetuto per ogni fascia oraria, per tener conto eventualmente delle
diverse situazioni di carico.
Naturalmente, il rifasamento degli impianti offre parecchi vantaggi e, in alcuni
casi, è anche obbligatorio, ma comporta dei costi e degli obblighi che derivano
dalle prescrizioni di sicurezza per l’installazione e l’esercizio dei condensatori.
Prescrizioni di sicurezza per l’installazione e l’esercizio dei condensatori
Le Norme CEI forniscono le prescrizioni per l’installazione e l’esercizio, nonché
le caratteristiche tecniche, dei condensatori statici da impiegare per il rifasamento
degli impianti.
A differenza della maggior parte degli apparecchi elettrici, i condensatori statici di
rifasamento, quando energizzati, funzionano in modo continuativo a pieno carico.
Poiché sovraccarichi e sovrariscaldamenti abbreviano la vita del condensatore, le
condizioni di esercizio (ossia temperatura, tensione e corrente) devono essere
tenute sotto stretto controllo.
Occorre inoltre sottolineare che l’introduzione di una capacità concentrata in un
impianto può determinare condizioni di funzionamento anomali (per es.,
amplificazione delle armoniche, autoeccitazione di macchine, sovratensioni
dovute a manovre, cattivo funzionamento dei sistemi di telecomando ad
audiofrequenza, ecc.).
I condensatori che vengono comunemente impiegati sono del tipo a film sintetico
metalizzato. Una pellicola di polipropilene vene ricoperta, per mezzo di un
processo di vaporizzazione, da un sottilissimo strato metallico di alluminio o di
zinco.
I film possono essere di tipo ordinario oppure autorigenerabili che reintegrano per
effetto del calore la parte danneggiata da una scarica. Il tipo autorigenerabile
consente, a parità di prestazioni, minori dimensioni.
I materiali utilizzati devono essere atossici e quindi smaltibili senza particolari
precauzioni.
Dati i diversi tipi di condensatori esistenti e i numerosi fattori coinvolti, non è
possibile dare semplici regole di installazione e di funzionamento valide per tutti i
5
casi che si possono verificare. Le seguenti informazioni riguardano gli aspetti più
importanti che devono essere presi in considerazione e sono ricavabili dalla
Norma CEI EN 60831-1 (nel seguito denominata “Norma” [2]) per i condensatori
statici di rifasamento di tipo autorigenerabile per impianti di energia a corrente
alternata con tensione nominale inferiore o uguale a 1000 V.
Scelta della tensione nominale
La tensione nominale del condensatore deve essere almeno uguale alla tensione di
esercizio della rete a cui il condensatore viene collegato, tenendo conto
dell’influenza del condensatore stesso.
In alcune reti può esistere una considerevole differenza tra la tensione nominale e
quella di esercizio. Nella tab. 2 sono riportate le massime tensioni e correnti
ammissibili previste dalla Norma.
L’ampiezza delle sovratensioni che possono essere tollerate senza significativi
deterioramenti dipende dalla loro durata, dal loro numero e dalla temperatura.
Tab. 2 – Massime tensioni e correnti ammesse sui condensatori
Tipo
A frequenza
industriale
Fattore di
tensione x Un
(valore efficace)
Durata massima
Osservazioni
1,00
Continua
Massimo valor medio durante un
qualsiasi periodo di energizzazione.
Per periodi di energizzazione
inferiori a 24 h si applicano le
sottoindicate eccezioni.
1,10
8 h ogni 24 h
Regolazioni e
tensione di rete
fluttuazioni
della
1,15
30 min ogni 24
h
Regolazioni e
tensione di rete
fluttuazioni
della
5 min
1 min
Aumento di tensione a basso carico
1,20
1,30
Fattore di
corrente x In
(valore efficace)
Osservazioni
A frequenza
industriale, con
armoniche
1,3
Questo fattore tiene conto dell’effetto combinato delle
armoniche e delle sovratensioni.
A frequenza
industriale, con
armoniche
1,5
Questo fattore tiene conto dell’effetto combinato delle
armoniche, delle sovratensioni e della tolleranza di
capacità (15%).
Le sovratensioni di lunga durata, riportate nella tab. 2, devono essere contenute
entro i limiti di tempo indicati, altrimenti le prestazioni e la durata dei
condensatori possono essere negativamente influenzate. Come si può rilevare, ad
esempio, dal grafico di fig. 5, la vita del condensatore si riduce del 50 % per una
sovratensione permanente di appena il 10 %.
Per determinare la tensione da prevedere tra i terminali del condensatore, la
Norma fa le seguenti considerazioni:
6
a)
I condensatori statici di rifasamento possono causare un aumento
permanente di tensione dalla sorgente di alimentazione fino al punto in cui
sono installati, dato dalla seguente espressione:
dove:
ΔU
U
S
Q
ΔU Q
=
U
S
(6)
è l’aumento di tensione in volt (V);
è la tensione prima del collegamento del condensatore (V);
è la potenza di cortocircuito (kVA) nel punto in cui il
condensatore è installato;
è la potenza reattiva del condensatore (kVAR).
Tale aumento di tensione può essere ancora più elevato a causa della
presenza di armoniche. Pertanto i condensatori possono essere soggetti ad
un valore di tensione più alto di quello misurato prima che i condensatori
fossero collegati.
b)
La tensione nominale del condensatore può essere particolarmente alta in
condizioni di basso carico; in tali casi alcuni o tutti i condensatori devono
essere esclusi dal circuito per evitare la sovrasollecitazione dei condensatori
ed un eccessivo aumento della tensione nella rete.
Classi di temperatura dell’aria ambiente e temperatura d’esercizio
I condensatori sono classificati dalla Norma in classi di temperatura, dove ogni
classe viene specificata da un numero seguito da una lettera.
Il numero indica la più bassa temperatura dell’aria ambiente alla quale il
condensatore può funzionare. La lettera indica il limite superiore della gamma di
variazione di temperatura, i cui valori sono riportati nella tab. 3.
Tab. 3 – Classi di temperatura
Temperatura dell’aria ambiente
Simbolo
massima
Massimo valore medio per ogni periodo
24 h
1 anno
A
40
30
20
B
45
35
25
C
50
40
30
D
55
45
35
Qualsiasi combinazione di valori minimi e massimi può essere scelta come classe
di temperatura normalizzata di un condensatore. Le classi di temperatura
preferenziali sono : (- 40/A), (- 25/A), (- 5/A) e (– 5/C).
Si deve prestare molta attenzione alla temperatura di esercizio del condensatore,
in quanto questa esercita una forte influenza della durata. Le temperature superiori
7
ai limiti massimi previsti accelerano la degradazione elettrochimica del dielettrico
(ved. grafico di fig. 6).
In particolare, i condensatori devono essere collocati in modo che ci sia adeguata
dissipazione, per convenzione e per irraggiamento, del calore prodotto dalle
perdite del condensatore. La ventilazione del locale dove sono installati i
condensatori e la disposizione delle unità capacitive deve garantire una buona
circolazione dell’aria intorno a ciascuna unità. Questo riveste particolare
importanza per le unità installate in file sovrapposte.
Vita del condensatore
100 %
Vita del condensatore
100 %
50 %
40 %
25 %
20 %
15 %
10 %
1
1,1
1,2
1,3
1,4
x Un
35
45
55
65
°C
Fig. 5
Fig. 6
Diminuzione della vita del condensatore in
funzione del coefficiente di sovratensione
permanente
Diminuzione della vita del condensatore in
funzione della temperatura ambiente media (a
tensione costante)
Sovraccarichi di corrente
I condensatori non devono mai funzionare con correnti superiori ai valori
specificati nella tab. 2.
I sovraccarichi di corrente possono essere causati o da un’eccessiva tensione alla
frequenza fondamentale, o dalle armoniche o da entrambe le cause. Le principali
sorgenti di armoniche sono i raddrizzatori, le apparecchiature dell’elettronica di
potenza e i trasformatori a nucleo saturo.
Se l’aumento di tensione, nei periodi di basso carico, viene esaltato dai
condensatori, la saturazione dei nuclei dei trasformatori può essere considerevole.
In questo caso vengono prodotte armoniche di ampiezza anomala, una delle quali
può essere amplificata per effetto della risonanza tra il trasformatore e i
condensatore. Questa è un’ulteriore ragione per raccomandare la disinserzione dei
condensatori nei momenti di basso carico.
Può essere necessario prendere una dei seguenti provvedimenti:
a)
b)
c)
lo spostamento di alcuni o di tutti i condensatori in altri punti dell’impianto;
il collegamento di un reattore in serie col condensatore, per ridurre la
frequenza di risonanza del circuito ad un valore inferiore a quello della
frequenza dell’armonica perturbatrice;
l’aumento del valore di capacità quando il condensatore viene collegato
vicino a semiconduttori di potenza.
8
Quando i condensatori vengono inseriti nella rete si possono verificare
sovracorrenti transitorie di elevata ampiezza e frequenza. Tali transitori devono, in
particolare, essere previsti quando una sezione di una batteria di condensatori
viene inserita in parallelo ad altre sezioni già energizzate.
Può rendersi necessario ridurre queste sovracorrenti transitorie a valori accettabili
per il condensatore e per l’impianto inserendo i condensatori attraverso un
resistore (resistenza di inserzione) o introducendo reattori nel circuito di
alimentazione di ciascuna sezione della batteria.
Sovratensioni atmosferiche
I condensatori possono essere soggetti a elevate sovratensioni atmosferiche se
destinati ad installazioni esposte.
La Norma prevede una prova ad impulsi con un’onda da 1,2/50 μs a 5/50 μs,
avente un valore di cresta di 15 kV se la tensione nominale del condensatore è
UN ≤ 660 V, o di 25 kV se UN > 660 V.
Dispositivi di manovra e di protezione e collegamenti
I dispositivi di manovra e di protezione e i collegamenti devono essere in grado di
sopportare le sollecitazioni elettrodinamiche e termiche causate dalle
sovracorrenti transitorie di elevata ampiezza e frequenza che possono verificarsi al
momento dell’inserzione.
La Norma raccomanda pertanto di proteggere i condensatori dalle sovracorrenti
mediante adeguati relè di sovracorrente tarati per comandare gli interruttori
quando la corrente supera i limiti ammissibili. I fusibili non forniscono
generalmente un’adeguata protezione contro le sovracorrenti.
Ogni cattivo contatto nei circuiti del condensatore può dare origine ad archi,
provocando oscillazioni ad alta frequenza che possono surriscaldare e sollecitare
eccessivamente i condensatori (ved. fig. 7). Si raccomanda pertanto una regolare
ispezione di tutti i contatti dell’impianto dei condensatori.
Dispositivi di scarica interno
Ciascuna unità capacitiva e/o batteria deve essere dotata di dispositivi che
permettono la scarica di ciascuna unità ad una tensione uguale o minore di 75 V in
3 min a partire da una tensione iniziale di picco pari a 2 volte la tensione
nominale UN. Non devono esserci interruttori, fusibili o altri dispositivi di
sezionamento tra l’unità capacitiva ed il dispositivo di scarica. Un dispositivo di
scarica non è sostitutivo della messa in cortocircuito e a terra dei terminali dei
condensatori prima della manipolazione.
Problemi con il rifasamento
Sebbene il rifasamento può portare notevoli benefici, in alcuni casi comporta la
necessità di dover risolvere problemi di non lieve entità. Abbiamo già visto che il
loro semplice inserimento comporta comunque un aumento permanente della
tensione di rete e l’influenza della stessa e della temperatura sulla vita dei
condensatori. I principali problemi derivano comunque dalle manovre di
inserzione e di disinserzione della batteria di condensatori, per adattare il
rifasamento alle condizioni reali di carico, e dalla presenza di carichi non lineari.
9
Sovratensioni e sovracorrenti transitorie di manovra
Dato che la corrente in un condensatore è sfasata in anticipo di 90° rispetto alla
tensione, se l’inserzione della batteria di condensatori avviene nell’istante che la
forma d’onda della tensione passa per lo zero, dovremmo avere istantaneamente il
massimo valore di corrente. Ma ciò è fisicamente impossibile.
Avremo pertanto un cambiamento veloce della corrente (ma non istantaneo), che
va oltre il valore massimo (funzione della resistenza del sistema a cui il
condensatore è collegato e alla corrente di corto circuito in quel punto), mentre la
tensione tende a diminuire.
Quando invece la batteria di condensatori viene disinserita e l’apertura avviene nel
momento che la corrente passa per lo zero, la batteria di condensatori rimane
caricata alla tensione massima della rete (fig. 7). Ai capi dell’interruttore si
localizza una tensione che è data dalla somma della tensione della batteria di
condensatori al momento dell’apertura e di quella, istante per istante, della rete.
Dopo mezzo ciclo, in questo caso, la tensione raggiungerà due volte il valore
massimo.
Generalmente la separazione tra i contatti non è istantanea (dovuta all’inerzia
rappresentata dalla massa dei contatti) ma avviene dopo alcuni periodi. In questo
transitorio, la tensione ai capi dell’interruttore può fare innescare un arco di
corrente e, a differenza della semplice inserzione, l’intensità di corrente sarà
maggiore, fenomeno amplificato dal fatto che la tensione è doppia.
Senza entrare troppo nel merito del fenomeno, rappresentato in fig. 7, il transitorio
di corrente si presenta con forma sinusoidale smorzata, ad una frequenza molto
superiore alla frequenza di rete.
Tensione prima dell’innesco
Corrente dopo l’innesco
VMax
Tensione di
rete
- 3 VMax
Tensione dopo
l’innesco
Contatti in apertura
Tensione sulla batteria di
condensatori
Corrente sulla batteria di
condensatori
Fig. 7 – Disinserzione della batteria di condensatori
10
Tensione di
rete
Secondo la Norma, la manovra di una batteria di condensatori mediante un
interruttore, senza riadescamento dell’arco, determina normalmente una
sovratensione transitoria, il cui primo picco non supera 2 2 volte la tensione
applicata (valore efficace) per una durata massima di ½ periodo (la corrispondente
sovracorrente transitoria di picco può raggiungere un valore uguale a 100 volte il
valore IN).
Nel caso di condensatori che sono frequentemente sottoposti a manovra, i valori
dell’ampiezza e della durata delle sovratensioni (e delle sovracorrenti transitorie)
devono essere limitati a livelli più bassi.
Se durante il distacco della batteria di condensatori si hanno invece ripetuti
riadescamenti dell’arco, con possibili fenomeni di risonanza per la presenza di
eventuali carichi fortemente induttivi, si possono creare sovratensioni così alte (5,
7 volte e oltre la tensione nominale) da danneggiare componenti della rete di
distribuzione o gli stessi condensatori. Pertanto è bene utilizzare dispositivi di
manovra con caratteristiche tali da impedire il riadescamento dell’arco.
La Norma prevede tra i terminali dei condensatori una prova di tenuta in corrente
alternata con una tensione Ut = 2,15 UN per una durata fino a 10 s (prova di tipo) e
tra i terminali ed il contenitore una prova di tenuta, sempre in corrente alternata,
con una tensione di 3 kV se UN ≤ 660 V, o di 6 kV se UN > 660 V, per una durata
fino a 1 min (prova di tipo).
Problemi di compatibilità (armoniche)
La rete elettrica fornisce una tensione sinusoidale a 50 Hz, ma non sempre la
corrente che fluisce nel carico è sinusoidale. La corrente non è sinusoidale quando
la caratteristica tensione/corrente del carico non è lineare (il carico ha
un’impedenza variabile durante il periodo T (corrispondente a 20 ms a 50 Hz)).
Esempi tipici di carichi non lineari: corrente magnetizzante di un trasformatore,
apparecchi che impiegano in genere semiconduttori (ponti a diodi controllati,
gruppi statici di continuità), forni ad induzione, saldatrici.
La presenza di carichi non lineari implica la circolazione di componenti
armoniche di corrente nella rete elettrica, cioè componenti di frequenza multipla
della fondamentale. La somma della fondamentale e delle armoniche dà luogo a
forme d’onda distorte anche se periodiche.
Come è noto, una qualunque funzione periodica si può scomporre in una serie di
funzioni sinusoidali (serie di Fourier). In fig. 8 la forma d’onda distorta (forma
d’onda verde) si può scomporre nella fondamentale (forma d’onda rossa) ed in
una terza armonica (forma d’onda blu).
La presenza di armoniche influisce su tutti i fenomeni legati all’aumento della
frequenza. Ad esempio, la reattanza capacitiva diminuisce e dunque aumenta la
corrente nei condensatori utilizzati per il rifasamento, i quali possono
danneggiarsi per sovraccarico ed il conseguente aumento di temperatura. Quando
la distorsione in linea raggiunge valori elevati diventa consistente il pericolo di
risonanze parallelo tra il sistema di rifasamento e la rete.
Note la potenza di cortocircuito della rete e la potenza del sistema di rifasamento,
la Norma indica la condizione di risonanza:
11
n=
S
Q
⇒
f r = f1
S
Q
(7)
dove:
n
S
Q
è il numero dell’armonica, cioè il rapporto tra l’armonica di
risonanza (fr in Hz) e la frequenza di rete (f1 in Hz);
è la potenza di cortocircuito (kVA) nel punto in cui la batteria di
condensatori è installata;
è la potenza reattiva della batteria di condensatori (kVAR).
Se la frequenza così calcolata è vicina alla frequenza di una armonica presente in
rete, si verifica la risonanza parallelo tra condensatori e rete alla frequenza di tale
armonica. Risulta pertanto necessario adottare sistemi di rifasamento dotati di
opportune reattanze di antirisonanza.
Fondamentale
3° Armonica
Risultante
Fig. 8 – Forma d’onda distorta e principale armonica
Il rifasamento degli impianti di sicurezza e segnalamento
Dal seguente schema a blocchi del sistema di distribuzione
dell’alimentazione degli impianti di sicurezza e segnalamento (impianti
IS) si possono individuare, ai fini del dimensionamento della batteria
di condensatori per il rifasamento, alcune utili indicazioni.
Il sistema di alimentazione è costituito essenzialmente da due parti: la
centralina di continuità e riserva ed il quadro di trasformazione e
distribuzione.
La centralina ha il compito di garantire la continuità
dell'alimentazione, anche in mancanza della tensione di rete. La
riserva è costituita generalmente da una batteria di accumulatori e/o
da un gruppo elettrogeno.
12
rete di distribuzione pubblica
G
quadro
G.E.
quadro
Id
Rete
IS
Sistema
di alimentazione
di continuità
altre utenze F.V.
quadro
G.E.
per impianti di
Sicurezza e Segnalamento
Ramo c.a. n. 1
ZONA A
F.V.
Id
Id
by-pass
quadro G.E.
barra rete IS
400 V trifase + N
Ramo c.a. n. 3
Ramo c.a. n. 2
Id
utenze
locali
ZONA B
quadro utenze
privilegiate
Ramo c.c.
Id
144 Vcc
by-pass
sistema
oppure
400 V trifase + N
230 V monofase
barra di continuità
quadro
B.A.
antincendio
condizionamento
quadro di trasformazione
e distribuzione
ZONA C
impianti
controllo
Id
48 Vcc
24 Vcc
150 Vca
80 Vca
pannello
interruttori
a scatto IS
logica apparato
di sicurezza
CABINA
CAMPAGNA
linea
distribuzione
B.A.
alimentazione
controllo
manovra
enti piazzale
RTB
ATN
SCC
CTC, ecc.
c.d.b.
segnali
13
P.L.
deviatoi
scaldiglie
Il quadro di trasformazione e distribuzione fornisce le diverse tensioni necessarie
ad alimentare i singoli circuiti di sicurezza e segnalamento (circuiti di
alimentazione e manovra di segnali, di casse di manovra di deviatoio e PL, circuiti
di alimentazione del controllo di enti di piazzale e linea, ecc.).
Si può notare la presenza di un elevato numero di trasformatori che, oltre la
richiesta funzione di distribuzione dell’energia ai vari enti, sono inseriti nei
circuiti anche per separare le varie parti dell’impianto ai fini della sicurezza e
della regolarità dell’esercizio ferroviario. Non ultima, quella di realizzare una
separazione elettrica sia dalla rete pubblica che dal piazzale o linea per la
protezione contro le sovratensioni. Sono stati pertanto rilevati valori molto bassi
del fattore di potenza (anche minore di 0,6). Eppure, nessuno si è mai sognato di
rifasare un impianto IS!
Per la quasi totalità dei circuiti IS, i principi di sicurezza circuitale (circuito chiuso
neutro, ecc) impongono dimensionamenti che sopravanzano di gran lunga quelli
richiesti dalla normativa CEI. In un circuito di relazione, ad esempio, ad una
sezione del cavo minima di 1 mm2 corrisponde una corrente d’impiego di poche
decine di mA, parecchie centinaia di volte minore della portata massima in regime
permanente prevista dalle norme CEI. Viene meno quindi uno dei principali
motivi del rifasamento: la perdita di energia per effetto joule sulla resistenza dei
cavi.
Inoltre, gli impianti IS “vedono” solo in emergenza la rete pubblica, essendo
alimentati con continuità tramite il ramo raddrizzatore/inverter: viene meno il
fattore “penalità” da parte dell’ente di distribuzione dell’energia elettrica.
Quando si parla di rifasamento degli impianti di sicurezza e segnalamento si ha in
mente il rifasamento delle centraline di continuità (ed, in particolare, del
raddrizzatore).
I nuovi sistemi di alimentazione (comunemente denominati SIAP) sono già
rifusati nel pieno rispetto della Norma CEI sopra richiamata e dei vincoli
contrattuali dell’ente di distribuzione dell’energia elettrica.
Per ottimizzare il fattore di potenza in ingresso del raddrizzatore/carica batterie si
è dovuto considerare:
1.
2.
la fluttuazione di rete: previsto il funzionamento con ± 15 % la tensione
nominale;
la notevole variazione del carico, rappresentato essenzialmente dagli
impianti IS alimentati tramite l’inverter, e dalla carica di una batteria di
accumulatori per assicurare la prevista autonomia di 30 min. Nella fase di
funzionamento in tampone del carica batteria, abbiamo il minor
assorbimento, che può essere anche inferiore al 50% della potenza nominale
del raddrizzatore.
Senza rifasamento, dal grafico di fig. 9 si può rilevare che mentre la potenza attiva
erogata è sostanzialmente costante (a parte le perdite che aumentano leggermente
all’aumentare della tensione), la potenza apparente segue linearmente gli
incrementi della tensione di rete, per l’aumento della potenza reattiva richiesta dal
raddrizzatore, con conseguente diminuzione del fattore di potenza (ved. grafico di
fig.10).
Ciò è dovuto al fatto che il ponte raddrizzatore, per mantenere costante la corrente
erogata deve parzializzare la propria tensione (utilizza solo una parte sempre più
piccola della sinusoide).
14
Potenza Apparente e Attiva in ingresso del RADDRIZZATORE
20
19
18
17
kVA - kW
16
15
14
13
12
11
10
323 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460
Tensione rete (Veff)
Fig. 9 –
Potenza apparente e attiva in ingresso del raddrizzatore al variare della
tensione di rete
Fattore di potenza in ingresso del RADDRIZZATORE
1
0,95
Fattore di potenza
0,9
0,85
0,8
0,75
0,7
0,65
0,6
0,55
0,5
323 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460
Tensione di rete (Veff)
Fig. 10 –
Fattore di potenza al variare della tensione di rete (a potenza attiva
erogata costante).
15
Il grafico di fig. 11 evidenzia invece l’influenza del carico sul fattore di potenza e
l’importanza di un utilizzo razionale del sistema di alimentazione (senza inutili
surdimensionamenti!).
Le vecchie configurazione del sistema di alimentazione degli impianti di sicurezza
e segnalamento (abbastanza diffuse in esercizio) che prevedono centraline di
piccola potenza (fino a 9 kVA), hanno un raddrizzatore per la carica di una
batteria che deve assicurare un’autonomia di 6÷8 ore. Praticamente, lavorano con
il 10 % del carico nominale del raddrizzatore.
Conclusioni
Il rifasamento in genere degli impianti offre parecchi vantaggi e, in alcuni casi, è
anche obbligatorio, ma comporta dei costi e degli obblighi che derivano dalle
prescrizioni di sicurezza per l’installazione e l’esercizio dei condensatori.
Per gli impianti di sicurezza e segnalamento il rifasamento è da attuare sul sistema
di alimentazione.
I nuovi sistemi di alimentazione (comunemente denominati SIAP) sono
già rifasati, nel pieno rispetto della Norma CEI sopra richiamata e dei
vincoli contrattuali dell’ente di distribuzione dell’energia elettrica.
Fattore di potenza in ingresso del RADDRIZZATORE
carico 10%
30%
50%
70%
100%
1
0,9
Fattore di potenza
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
323
340
380
400
420
440
460
Tensione di rete (Veff)
Fig. 11 –
Fattore di potenza al variare della tensione di rete, nelle diverse
condizioni di carico (%).
16
Per quelli esistenti, bisogna tener presente che il fattore di potenza è soprattutto
legato all’autonomia nominale richiesta (30 min o 6÷8), e andrebbe comunque
valutata la sua incidenza sul complesso dell’utenza vista dalla rete. Quello che
interessa all’ente di distribuzione dell’energia è il fattore di potenza medio
mensile dell’utenza complessiva.
Per il rifasamento delle centraline in esercizio bisogna tener presente che esse
possono essere sorgenti di distorsioni armoniche, con i problemi di
dimensionamenti (e di risonanza) sopra richiamati.
Le Norme CEI sulla compatibilità elettromagnetica stabiliscono limiti per le
emissioni di corrente armoniche, al momento, solo per apparecchiature con
corrente d’ingresso ≤ 16 A per fase (Norma CEI EN 61000-3-2).
Roma, 8 marzo 2009
____________________________________________________
[1]
Delibera Autorità per l’Energia Elettrica ed il Gas 228/01
[2]
Norma CEI EN 60831-1 “Condensatori statici di rifasamento di tipo
autorigenerabile per impianti di energia a corrente alternata con tensione
nominale inferiore o uguale a 1000 V” Parte 1: Generalità – Prestazioni e
valori nominali – Prescrizioni di sicurezza – Guida per l’installazione e
l’esercizio.
17
