Lez.13
Elettrotecnica
Generalità sul sistema elettrico per l’energia
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I primi impianti elettrici risalgono agli inizi dell’800 (es. telegrafo)
La rapida diffusione è dovuta alla possibilità di convertire con facilità
ed elevato rendimento l’energia elettrica in altre forme di energia
(meccanica, termica, luminosa) e alla possibilità di sfruttare fonti di
energia altrimenti inutilizzabili (es. centrali idroelettriche).
L’energia elettrica non è accumulabile in grandi quantitativi
(condensatori, induttori). Ne consegue che in ogni momento si deve
generare energia pari a quella richiesta. Piccoli squilibri sono ammessi
solo per pochi secondi. Il mantenimento di questa condizione è reso
difficile dalla richiesta di energia che è fortemente variabile (nelle
diverse ore del giorno, durante le stagioni, ecc.).
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Alternata o continua?
Le prime applicazioni elettromagnetiche sono in continua (telegrafo,
dinamo, motori in c.c.)
Vantaggi dell’alternata:
1. Uso del trasformatore con la possibilità di trasportare energia
con elevate tensioni e basse correnti;
2. facilità di interruzione delle correnti per il loro naturale passaggio
per lo zero;
3. Impiego per la produzione dell’energia elettrica del generatore
sincrono, più affidabile della dinamo.
Vantaggi della continua:
1. Facilità di risoluzione delle reti.
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Monofase o trifase?
Vantaggi del sistema trifase:
1. Maggiore semplicità, sicurezza e rendimento del motore asincrono
trifase rispetto al monofase;
2. Costi di impianto inferiori a parità di potenza trasferita.
Applicazioni monofase:
1. Distribuzione in bassa tensione
2. Trazione ferroviaria
Applicazioni in continua
1. Linee di trasmissione sottomarine in cavo per lunghe distanze.
2. Trazione ferroviaria
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Costituzione del sistema elettrico nazionale
Distribuzione
primaria
Generazione
Distribuzione
MT
Distribuzione
BT
Trasmissione
G
20 kV
20 kV/380 kV
MT/AT
380 kV/150 kV
150 kV/20 kV
20 kV/380 V
Stazione primaria
AT/AT
Stazione secondaria
AT/MT
Cabina
MT/BT
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Produzione
Per la produzione di energia elettrica si utilizzano come fonti
primarie: energia idraulica, energia termica da combustibili fossili,
energia termica da combustibili nucleari, energia solare, energia
eolica.
Trasmissione e distribuzione
Per la trasmissione e distribuzione aerea di energia elettrica sono
impiegati conduttori nudi, generalmente di rame o alluminio. Essi
hanno un’anima di acciaio per migliorare le proprietà meccaniche.
L’alluminio è più leggero del rame (del 30%) e ha una conducibilità
minore (circa il 60%). A parità di potenza dissipata per effetto Joule,
una linea di alluminio pesa circa la metà di una linea in rame.
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I conduttori sono mantenuti da sostegni. I sostegni possono essere di
legno (sempre più rari), acciaio, cemento armato, vetroresina. Nel
campo dell’alta tensione si usano sostegni a traliccio, realizzati con
diversi elementi modulari collegati opportunamente.
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I conduttori nudi non possono essere ovviamente connessi
direttamente al sostegno. Per garantire il supporto meccanico e
l’isolamento elettrico si usano gli isolatori. Gli isolatori sono sempre
caratterizzati da un nucleo di materiale isolante e da elementi
metallici ai quali agganciare, da una parte il conduttore e, dall’altra, il
sostegno. I materiali isolanti (D)
generalmente impiegati sono la
porcellana, il vetro, la resina. Un
tipico esempio di isolatore è
l’isolatore “cappa (C) e perno (P)”, la
cui forma consente di agganciare
più isolatori tra loro, costituendo
una catena con più elementi, da
impiegare su linee a differente
tensione.
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Per la distribuzione sotterranea o sottomarina si utilizzano linee in
cavo. Un cavo elettrico è costituito da un’anima centrale (il
conduttore, per il trasferimento dell’energia), da un’isolante solido
(per l’isolamento elettrico), da uno schermo metallico (per uniformare
il campo elettrico nel dielettrico), da una guaina di protezione.
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Condizioni di funzionamento
In condizioni di funzionamento normale, il sistema opera con tensioni,
correnti e frequenze di progetto. In funzionamento anormale, il
sistema opera con tensioni e correnti più elevate di quelle nominali.
In tal caso si possono avere sovratensioni e sovracorrenti.
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Sovratensioni:
Sono tensioni maggiori delle nominali. Hanno generalmente carattere
transitorio
• Sovratensioni interne (manovra). Derivano da cause dipendenti
dall’esercizio del sistema, quali apertura o chiusura di interruttori,
fenomeni di risonanza, improvvisa riduzione del carico.
• Sovratensioni esterne (atmosferiche), dovute generalmente a
fenomeni di induzione elettrostatica e/o elettromagnetica. Il caso
più grave è quello della fulminazione diretta , quando una linea
viene colpita da un fulmine (Vmax=1÷4 MV, Imax=10÷100 kA).
Le sovratensioni possono produrre il cedimento dell’isolamento
elettrico. Se l’isolamento è solido, esso viene danneggiato
irreversibilmente.
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Sovracorrenti:
Sono correnti maggiori delle nominali:
• Sovraccarico transitorio (manovre, quale avviamento di motori
asincroni, inserzione di trasformatori a vuoto);
• Sovraccarico permanente (se vengono inseriti utilizzatori di
potenza maggiore di quella di dimensionamento dell’impianto). I
sovraccarichi hanno un effetto quasi esclusivamente termico;
possono comportare un deterioramento dell’isolamento
elettrico e, in casi estremi, provocare un incendio. In genere,
se i sovraccarichi sono di durata limitata e non troppo
frequenti, allora non sono pericolosi.
• Cortocircuito (guasto). E’ un collegamento a bassa impedenza
che si instaura tra parti a differenti tensioni (ad esempio tra
un conduttore e la terra). E’ fonte di sollecitazioni
elettrodinamiche e termiche notevoli.
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