PRODUZIONE, TRASMISSIONE, UTILIZZAZIONE DELL’ENERGIA ELETTRICA CORSO DI AGGIORNAMENTO PER EROGAZIONE DI 4 C.F.P. 1 Roma, 23 Aprile 2016 a cura di Ezio Santini UN PO’ DI STORIA 1692 - Nasce a Leida Pieter van Musschenbroek, che concepisce e costruisce la Bottiglia di Leida, il primo apparecchio in grado di accumulare energia elettrica. Si può iniziare ad eseguire esperimenti e ricerche scientifiche. 1766 - Il chimico britannico Joseph Priestley prova sperimentalmente la legge secondo cui la forza esercitata tra cariche elettriche è proporzionale all'inverso del quadrato della loro distanza. 2 1800 – Alessandro Volta inventa la pila. UN PO’ DI STORIA 1831 – Michael Faraday, proseguendo gli studi e le ricerche iniziate da Hans Chrsitan Oersted e André Marie Ampére, scopre che la corrente elettrica può essere generata da variazioni di un campo magnetico. È il padre dell'elettromagnetismo, gettando le basi per gli studi sull'elettrolita; inventa la "gabbia di Faraday ", un efficace parafulmine. 1835 - Georg Simon Ohm studia i rapporti tra resistenza, tensione, corrente. 1838 - Henrich Daniel Ruhmkorff, elettromeccanico tedesco, costruisce il rocchetto ad induzione che da lui prende il nome 3 "Rocchetto di Ruhmkorff ". Si tratta di un trasformatore, ormai di valore oggi soltanto storico, che permette di ottenere elevate differenze di potenziale. UN PO’ DI STORIA 1840 – Werner von Siemens, dopo un passato giovanile in carriera militare, lascia l'esercito e fonda insieme ai fratelli l'azienda Siemens. 1845 - Sir Joseph Wilson Swan in Inghilterra esegue i primi esperimenti per la costruzione della lampadina ad incandescenza, che verrà perfezionata da Thomas Alva Edison e da Alessandro Cruto. La prima lampadina si accende nel 1878. 1859 – Antonio Pacinotti inventa l'anello di Pacinotti, che può convertire energia meccanica in energia elettrica 4 UN PO’ DI STORIA 1885 – Galileo Ferraris dimostra sperimentalmente in pubblico il risultato dei suoi studi: l'esistenza di un campo magnetico rotante generato mediante due bobine fisse, tra loro perpendicolari, percorse da correnti isofrequenziali in quadratura; un cilindretto di rame, immerso nel campo magnetico, si mette in movimento, tra la meraviglia dei presenti, sotto l'azione delle forze elettrodinamiche tra campo rotante e correnti indotte. È l'inizio del motore asincrono. 1888 – Ad Aprile, Galileo Ferraris pubblica la teoria del motore asincrono sulla rivista L'Elettricità. 1888 5– A Maggio, Nikola Tesla deposita in America cinque brevetti sulla costruzione dei motori asincroni. 1890 – Nikola Tesla apre la strada alla trasmissione dell’energia elettrica in corrente alternata. UN PO’ DI STORIA 1892 – Dalla centrale idroelettrica costruita nel "Santuario di Ercole Vincitore" a Tivoli, si sperimenta per la prima volta nel mondo la trasmissione a distanza di corrente elettrica alternata. L’energia viene inviata a Roma, dove una cabina primaria situata a Porta Pia la distribuisce agli impianti di illuminazione pubblica predisposti in città. 1896 – Guglielmo Marconi deposita il suo primo brevetto. Ha 22 anni, ha sperimentato la trasmissione di segnali radio su distanze sempre maggiori, prima fra un locale e l'altro della casa paterna poi nei campi di Pontecchio. Anche per consiglio della6 madre, irlandese, continua le sue esperienze in Inghilterra. L'anno successivo si costituisce la compagnia Marconins Wireless Telegraph and Signal Company: segue il primo salvataggio a mezzo appello radio sulla Manica. UN PO’ DI STORIA 1901 – Guglielmo Marconi sperimenta la trasmissione di onde radio attraverso l' Atlantico: la stazione trasmittente della potenza di 25 kW posta a Poldhu Cove in Cornovaglia, dispone come antenna di un insieme di fili sospesi a ventaglio a una draglia sostenuta da due alberi di 45 m. d'altezza. La stazione ricevente è a St. Johns di Terranova dove un aquilone porta l’antenna alla quota di 120 m. Per mezzo di una cuffia e di un coherer, i primi SOS sono trasmessi attraverso l’Atlantico il 12 dicembre. 1904 7- John Ambrose Fleming inventa il diodo, la prima valvola termoionica a due elettrodi. Si iniziano a vedere le prime avvisaglie dell’elettronica. L’ENERGIA ELETTRICA È evidente l’importanza che assume agli effetti dello sviluppo della vita civile ed industriale di una regione la disponibilità di energia in una forma facilmente trasformabile in calore, in lavoro meccanico, in energia chimica, in luce o in altre richieste utilizzazioni. Allo stato attuale una delle forme di energia che meglio si presta alle esigenze suddette è l’energia elettrica per la sua facilità di trasformazione, per la possibilità di trasmissione a lunghissime distanze, per la sua facile divisibilità e per la sua affidabilità. 8 L’ENERGIA ELETTRICA - 2 ● L’energia elettrica viene prodotta nelle centrali (termoelettriche, idroelettriche, nuleari, eoliche, solari ...) mediante generatori che sono principalmente generatori sincroni. ● Per trasportare l’energia elettrica dai luoghi di produzione a quelli di utilizzo si fa uso di linee aeree trifase ad elevata/elevatissima tensione per ridurre le perdite lungo la linea. I trasformatori trifase consentono la trasformazione dei valori di tensione. ● . L’ENERGIA ELETTRICA - 3 ● La distribuzione della energia elettrica agli utenti industriali viene fatta mediante linee trifase in alta/media tensione; la distribuzione della energia elettrica alle utenze domestiche viene fatta mediante linee trifase col filo neutro in bassa tensione. L’ENERGIA ELETTRICA - 4 La maggior parte delle energie economicamente utilizzabili vengono trasformate in energia elettrica o immediatamente alla sorgente o dopo un trasporto nella loro forma originale, verso i centri di utilizzazione. Dato che ancora i generatori magnetofluidodinamici (nei quali si ha una conversione diretta da energia termica e meccanica in energia elettrica) sono in fase di ricerca, si può senz’altro affermare che la totalità dell’energia elettrica prodotta nelle 11 centrali elettriche è dovuta agli alternatori. I DIVERSI TIPI DI CENTRALE Le centrali si classificano in base all’energia primaria utilizzata; le forme di energia primaria oggi economicamente utilizzabili sono: - Energia idraulica - Energia termica - Energia eolica - Energia solare - Energia da biomasse 12 I DIVERSI TIPI DI CENTRALE Centrale idroelettrica Centrale termoelettrica convenzionale Centrale a ciclo combinato Centrale nucleare I DIVERSI TIPI DI CENTRALE Centrale geotermica Centrale solare Centrale eolica Centrale a biomasse/rifiuti LE CENTRALI ELETTRICHE: IMPATTO AMBIENTALE Gli aspetti fondamentali sono: o Consumo di risorse (combustibile, acqua) o Emissioni gassose, liquide, solide o Rumore o Impatto visivo L’ENERGIA IDRAULICA - 1 Nella maggior parte conseguente a salti di grandi portate d’acqua fluente o accumulata in serbatoi (o bacini). La conversione in energia elettrica deve avvenire nelle vicinanze delle sorgenti di energia. Nelle centrali ad acqua fluente si sfruttano grandi portate d’acqua con piccoli valori di salto geodetico. Si utilizzano particolari turbine idrauliche (Francis e Kaplan), che funzionano meglio a basse velocità. Ne consegue che gli alternatori accoppiati hanno un elevato numero di coppie polari (generalmente 8 o 16). Le centrali a serbatoio utilizzano invece l’energia potenziale di masse 16 d’acqua immagazzinata in opportuni bacini (naturali o artificiali); di solito funzionano con piccole portate e con elevati salti geodetici. L’ENERGIA IDRAULICA - 2 Di regola si utilizza come turbina idraulica una turbina Pelton, che funziona meglio ad alte velocità. Ne consegue che gli alternatori accoppiati hanno un piccolo numero di coppie polari (generalmente 2, 3 o 4). La presenza del bacino consente a queste centrali di erogare energia nei periodo di tempo più opportuni. Inoltre la turbina Pelton si presta meglio di quelle termiche a rapide e continue variazioni di carico. Si noti che tutte le centrali idroelettriche, benché in parte dipendenti dagli eventi meteorologici, non danno luogo a costi per il “combustibile”. Il costo di impianto delle centrali nuove è 17 tuttavia crescente a causa dell’esaurimento dei siti facilmente sfruttabili. LA CENTRALE IDROELETTRICA La produzione di energia elettrica avviene per trasformazione dell’energia potenziale contenuta dall’acqua nel bacino superiore, in energia cinetica attraverso la condotta forzata, la quale fa ruotare il Turbo-alternatore. La potenza generata dipende dalla portata di acqua e dal dislivello. L’energia generata dipende dalla piovosità annuale e dalla superficie del bacino imbrifero. LA CENTRALE IDROELETTRICA La centrale di San Fiorano è una centrale idroelettrica di generazione e pompaggio di proprietà ENEL con una capacità totale di 568 MW e una produzione media annua di 342 GWh. Si trova in località Scianica, nel territorio del comune di Sellero, in provincia di Brescia. Dotata di turbine Pelton è la centrale idroelettrica italiana che presenta il maggior dislivello medio tra bacino e turbina: 1.403,80 m (quello minimo è di 1.361,50 m mentre il massimo è di 1.439,70). La centrale ha due gruppi binari di turbine Pelton e due gruppi ternari, sempre Pelton, ad asse verticale. Potenza: 140.000 kW. Velocità: 500 giri/min i gruppi binari, 600 giri/min i gruppi ternari. LA CENTRALE IDROELETTRICA: IMPATTO AMBIENTALE Principali effetti ambientali positivi: Fonte assolutamente rinnovabile e gratis! Rendimento di conversione assai elevato (90%) Totale assenza di emissioni gassose e liquide Totale assenza di rifiuti solidi Principali effetti ambientali negativi: Ingenti e lunghi lavori di costruzione Modifiche territoriali nel bacino imbrifero (accumulo sedimenti a monte, riduzione materiale a valle) Modifiche microclima locale Rischio di incidenti gravi durante l’esercizio L’ENERGIA TERMICA - 1 Eccezionalmente di natura geotermica (soffioni boraciferi), nel qual caso è indispensabile la conversione presso la sorgente; generalmente è ottenuta con la combustione di combustibili fossili solidi, liquidi o gassosi (carbone, petrolio, nafta, metano, gas naturale) sia nei pressi delle sorgenti, sia vicino ai centri di utilizzazione. In fase contrastata di impiego è la produzione di energia termica derivante dall’utilizzo della fissione nucleare, energia di costo molto variabile. In fase di studio è la produzione di energia termica derivante dall’utilizzo della 21 fusione nucleare, di cui però non si è in grado, allo stato attuale delle conoscenze, di indicare la data del suo utilizzo industriale. L’ENERGIA TERMICA - 2 Il calore sviluppato dal combustibile viene in ogni caso sfruttato mediante turbine a vapore o turbine a gas, che funzionano da motore nei riguardi dei turboalternatori. Le turbine termiche funzionano meglio ad alte velocità, per cui i turboalternatori hanno un numero molto ridotto di coppie polari (1 o 2). Per la loro grande inerzia termica, occorrono alcune ore per la loro messa in marcia. A differenza delle centrali idroelettriche, le centrali termoelettriche presentano il vantaggio di un regime di produzione indipendente da fattori stagionali, adattandosi 22 flessibilmente alle esigenze del consumo. L’ENERGIA TERMICA – 3 Tuttavia, per tutte le centrali termiche (con l’eccezione di quelle geotermiche) occorre tenere conto che, oltre al costo di costruzione, vi è un costo di esercizio dovuto al consumo di combustibile. Inoltre, è bene ricordare che questo tipo di centrale è caratterizzato da un notevole impatto ambientale: all’immissione in atmosfera dei prodotti della combustione e allo smaltimento delle scorie (ceneri, bitumi, ecc.) in discarica, si aggiunge l’inquinamento termico provocato dalle acque di scarico degli scambiatori di calore. 23 LA CENTRALE TERMOELETTRICA CONVENZIONALE Parco carbone Caldaia Turbina a vapore Sistema di controllo Generatore elettrico Camino Ceneri Elettro-filtri Trasformatore De-Solforatori (CENTRALE A CARBONE) LA CENTRALE TERMOELETTRICA CONVENZIONALE La centrale ENEL di Torrevaldaliga Nord è una centrale termoelettrica a carbone con una capacità totale di 1980 MW installati. Si trova presso la località TorreValdaliga, nel comune di Civitavecchia. Dal 2003, anno di avvio dei lavori di riconversione, è andata a sostituire il vecchio impianto che prevedeva una centrale termoelettrica ad olio combustibile da 4 gruppi con una capacità totale di 2640 MW. LA CENTRALE TERMOELETTRICA CONVENZIONALE La centrale è formata da tre sezioni funzionanti a vapore, prodotto dalla combustione in caldaie ultrasupercritiche dì polverino di carbone (fonte Enel – Dichiarazione Ambientale 2005-2007) con una capacità di 660 MW cadauna. Dopo il rinnovo dell'Autorizzazione Integrata Ambientale avvenuto il 05.04.2013, la centrale di Torrevaldaliga Nord funziona per 7500 ore l'anno, brucia 4.500 milioni di tonnellate/anno di carbone e 150.000.000 Sm3 di gas naturale (per le fasi di avviamento) (fonte Dec.Min.114 del 05.04.2013), producendo, quali scarti di processo, 450,000 t/a di ceneri, 250.000 t/a di gesso e 5.000 t/a di fanghi di trattamento (fonte Enel – Domanda di AIA - Relazione tecnica dei processi produttivi). LA CENTRALE TERMOELETTRICA CONVENZIONALE: IMPATTO AMBIENTALE Principali effetti ambientali negativi: Emissioni gassose (SOx, NOx, CO, Polveri) Emissione gas serra (CO2, vapori H2O) Scarichi solidi (ceneri) e liquidi (reflui) Scarico calore verso l’ambiente Consumo di combustibile non rinnovabile e di acqua Produzione di rumore Rimedi: Uso combustibili “puliti” (gas) e di sistemi di abbattimento adeguati Uso combustibile con minore contenuto di carbonio (gas); aumentare il rendimento Ridurre il carbone, creare mercato per le ceneri Migliorare il rendimento e fare co-generazione Ridurre il consumo aumentando il rendimento ed utilizzare sistemi di raffreddamento a secco Barriere acustiche La centrale a ciclo combinato LA CENTRALE A CICLO COMBINATO La centrale a ciclo combinato LA CENTRALE A CICLO COMBINATO Condensatore Caldaia a recupero Sistemi di Controllo Turbina a Gas Generatore Turbina a Vapore La centrale a ciclo combinato LA CENTRALE A CICLO COMBINATO La centrale termoelettrica di Cassano d'Adda sorge sulle rive del Canale Muzza su un'area di 220.000 m2 a circa 2 km dall'omonimo centro cittadino. L'impianto ha una potenza installata disponibile al servizio elettrico di 760 MW, costituita da due turbogas da 250 MW (Gruppo 5 e Gruppo 6) in ciclo combinato con una turbina a vapore (Gruppo 2) da 260 MW. La centrale, sin dalla sua costruzione (risalente al 1961 con il Gruppo 1 a vapore da 75 MW), è sede di impianti all'avanguardia ed in continua evoluzione; nel 1984 è stato inaugurato il primo intervento di potenziamento (Gruppo 2 a vapore da 320 MW).. LA CENTRALE A CICLO COMBINATO: IMPATTO AMBIENTALE Caratteristiche principali: Basse emissioni gassose (SOx, NOx, CO, Polveri) Bassa emissione CO2 per kWh prodotto Assenza di scarichi solidi e liquidi Alstissimo rendimento elettrico Tempi di realizzazione veloci (2 anni min) Facilmente adattabili per co-generazione e teleriscaladamento Meno costosi in termini di €/kW installato Basso rumore (50-60 dB ai ricettori) COSTRUZIONE DI UN CICLO COMBINATO: GISSI (CH) LA CENTRALE NUCLEARE L’energia è prodotta dalla fissione di nuclei pesanti (uranio), i quali sottoposti a bombardamento neutronico, si scindono in due grossi frammenti liberando fotoni ed altri 23 neutroni, in grado di auto-alimentare la catena. Il calore viene rimosso tramite circuito ad acqua (o gas, più raramente) che alimenta un ciclo termico tradizionale LA CENTRALE NUCLEARE Al mondo ci sono 435 reattori nucleari in funzione in 31 nazioni per la produzione di energia. Queste centrali contribuiscono per il 16% della produzione mondiale (circa 1 miliardo di persone). In Europa (EU15) il nucleare arriva a coprire il 32% del fabbisogno. Nuovi reattori sono in costruzione in numerose nazioni fra cui: Russia, Finlandia, Giappone, Cina, India, Ucraina. La Francia ha lanciato un programma nucleare energetico con visione al 2100 (generation III and IV). Nessun paese al mondo, tranne l’Italia, ha spento i propri reattori. LA CENTRALE NUCLEARE La centrale elettronucleare Caorso è stata una centrale elettronucleare situata nel comune di Caorso (PC) e avente un unico reattore da 860 MW di potenza elettrica netta, a uranio leggermente arricchito, moderato ad acqua leggera e raffreddato secondo lo schema ad acqua bollente di seconda generazione (BWR), modello BWR4. Costruita su richiesta dell'Enel dal 1970 al 1978 da Ansaldo Meccanico Nucleare S.p.A. in collaborazione con la General Electric, ha iniziato l'attività commerciale dal 1º dicembre 1981 ed è stata chiusa definitivamente il 1º luglio 1990. Nel periodo di esercizio, durato fino al 1986 il reattore, soprannominato "Arturo" dagli addetti agli impianti e dalla popolazione locale, ha prodotto complessivamente 29 TWh. LA CENTRALE NUCLEARE: IMPATTO AMBIENTALE Pro: Nessuna emissione gassosa Nessuna emissione di gas serra Costi di produzione inferiori al termico Altissima densità energetica (quindi grande potenza in “piccoli” spazi): unità > 800 MW Tecnologia sicura ed affidabile in continuo sviluppo (reattori veloci ad uranio naturale) Riserve di uranio non critiche e praticamente illimitate per l’U238 e Torio Riutilizzo “sicuro” di Plutonio ed altro Contro: Accettazione da parte della società Problema delle scorie ed industria di ri-processamento In Italia arretratezza tecnologica a seguito del referendum del 1987 Tempi di realizzo (> 5 anni, esclusa burocrazia) Sito stoccaggio finale Gestione del combustibile Possibilità di un incidente grave LA CENTRALE GEOTERMICA Il calore delle profondità terrestri viene sfruttato per produrre energia elettrica: il gradiente di 3°C/100m permette di pescare vapore a quote economicamente accessibile ed alimentare un turbo-gruppo. Il condensato può essere re-immesso nel serbatoio geotermico. Aspetti positivi: Nessuna emissione liquida/solida Fonte assolutamente rinnovabile e gratis Aspetti negativi: Non competitivo per gli alti costi di produzione se serbatoio profondo Impatto paesaggistico elevato (tubazioni) Scarsità di siti idonei Max dimensione: qualche decina di MW L’ENERGIA EOLICA Utilizzata per la produzione di modeste quantità di energia elettrica in zone battute dai venti per la maggior parte dell’anno, lontano da altre centrali elettriche: è evidente l’aleatorietà di questo tipo di produzione, che però rappresenta attualmente la più importante e promettente fonte alternativa a quelle convenzionali. 38 L’ENERGIA EOLICA Il parco eolico di Castiglione Messer Marino è un impianto di produzione di energia eolica situato nel territorio comunale di Castiglione Messer Marino in provincia di Chieti e fa parte del Comprensorio eolico Alto Vastese. Realizzato inizialmente nel 2000 con 34 aerogeneratori da 600 kW, è stato successivamente ampliato nel 2002 con altre 10 macchine analoghe e nel 2004 con 24 macchine da 660 kW. 39 Al parco eolico è associata la stazione di trasformazione di Monteferrante per la trasformazione dell'energia elettrica in alta tensione (150 kV). LA CENTRALE EOLICA L’energia del vento viene convertita in energia elettrica tramite pale aerodinamiche in grado di alimentare opportuni generatori elettrici. Aspetti positivi: Nessuna emissione gassosa/liquida/solida Fonte assolutamente rinnovabile Aspetti negativi: Non competitivo per gli alti costi di produzione Discontinua ed imprevedibile Impatto paesaggistico elevato Bassa intensità energetica LA CENTRALE EOLICA Fonte: RSE View - Energia Elettrica, anatomia dei costi - 2014 L’ENERGIA SOLARE Per mezzo della conversione fotovoltaica, consente limitate produzioni di energia elettrica (in corrente continua). Le centrali solari, per essere connesse alla rete elettrica, necessitano di opportuni convertitori DC/AC. Più conveniente è l’utilizzo dell’energia solare per il riscaldamento di acqua a bassa temperatura (circa 60°C); possibile anche il riscaldamento dell’acqua ad alta temperatura concentrando per mezzo di specchi parabolici, la luce su adeguati “bollitori”. Anche in questo caso la regolarità della produzione è fortemente 42 pregiudicata, essendo condizionata dalle condizioni atmosferiche e stagionali. IL SOLARE ED IL FOTOVOLTAICO Il fotone che colpisce il materiale semiconduttore, genera una quantità di portatori di carica (elettroni e lacune) che possono essere separati tramite una ddp (giunzione p-n). Un mercato che cresce: entro il 2025 potremmo arrivare a qualche % mondiale. Nei moduli fotovoltaici, la radiazione solare è trasformata direttamente in energia elettrica. IL FOTOVOLTAICO Fonte: RSE View - Energia Elettrica, anatomia dei costi - 2014 IL FOTOVOLTAICO Fonte: RSE View - Energia Elettrica, anatomia dei costi - 2014 L’ENERGIA DA BIOMASSE Sono energie ottenibili utilizzando razionalmente materiali di rifiuto prodotti da uomini, animali e vegetali. L’utilizzo può avvenire a mezzo di combustione diretta o per combustione dei prodotti gassosi della fermentazione (principalmente metano). 46 ENERGIA DALLE MAREE (TIDAL CURRENT ENERGY) TIPOLOGIE DI IMPIANTI DI SFRUTTAMENTO • A BARRIERA (centrali MAREMOTRICI) utilizzano l’abbassamento e l’innalzamento delle maree; un esempio è la centrale di La Rance in Francia, attiva da 35 anni • A CORRENTI DI MAREA (NON a barriera) utilizzano: • TURBINE CHIRALI (con alti rendimenti per basse velocità del fluido) • TURBINE DI MAREA, analoghe a quelle eoliche, ad asse orizzontale o verticale • SISTEMI KOBOLD: piattaforme galleggianti con diametro di 10m con turbina ad asse verticale a tre pale (utilizzate in Indonesia, progettate e sperimentate in Italia) CENTRALI MAREMOTRICI - Gli estuari dei fiumi sono le località più adatte e vengono sbarrati in direzione del mare con una diga artificiale. -Nelle centrali mareomotrici l'energia elettrica viene prodotta sfruttando l'energia sviluppata dall'alternarsi delle maree. - Le centrali mareomotrici sono costituite da una diga con incorporati gruppi formati da una turbina Kaplan e un alternatore. CENTRALI CHE SFRUTTANO LE CORRENTI SOTTOMARINE • Una ulteriore tipologia di centrali è basata sullo sfruttamento delle correnti sottomarine, che opportunamente incanalate possono generare corrente elettrica tramite delle turbine. • Si chiamano “turbine da marea” ed i loro rotori sono spinti dalle correnti marine invece che dal vento. • La principale differenza rispetto al vento è che le turbine a correnti marine sono più piccole a parità di potenza, ( la densità dell’acqua è 800 volte quella dell’aria ) , non hanno un impatto ambientale perché sono quasi completamente sommerse, non fanno rumore e non danneggiano fauna e flora. COGENERAZIONE Cogenerazione e' la produzione combinata di energia elettrica e calore alle condizioni definite dall'Autorità per l'energia elettrica e il gas, che garantiscano un significativo risparmio di energia rispetto alle produzioni separate (Art. 2 comma 8 DL 79/99) Condizioni da rispettare (del. AEEG 42/02) Indice di risparmio di energia IRE Limite termico LT COGENERAZIONE: VALUTAZIONE DEL RISPARMIO Indice di risparmio di energia (IRE): è il rapporto tra il risparmio di energia primaria conseguito dalla sezione di cogenerazione rispetto alla produzione separata delle stesse quantità di energia elettrica e termica e l’energia primaria richiesta dalla produzione separata (del. AEEG 42/02) Ec IRE 1 Ee Etciv Etind es p ts , civ ts , ind COGENERAZIONE: VALUTAZIONE DEL RISPARMIO Limite termico (LT): il rapporto tra l’energia termica utile annualmente prodotta Et e l’effetto utile complessivamente generato su base annua dalla sezione di produzione combinata di energia elettrica e calore, pari alla somma dell’energia elettrica netta e dell’energia termica utile prodotte (Ee + Et), riferiti all’anno solare, secondo la seguente formula: Et LT Ee Et TRIGENERAZIONE Trigenerazione e' la produzione combinata di - energia elettrica - calore per uso termico - calore per la produzione di energia frigorifera le condizioni da rispettare sono le stesse della cogenerazione La produzione di energia frigorifera solitamente si ottiene mediante gruppi ASSORBITORI con soluzioni di Bromuro di Litio che sfruttano il calore prodotto dalla cogenerazione o da altra fonte. LE CENTRALI ELETTRICHE: IMPATTO AMBIENTALE Impatto Ambientale Tipologia Combustibile Termoelettrico Carbone Olio combustibile Gas naturale Biomasse Idrogeno Idroelettrico Nucleare da fissione Uranio Eolico Solare Geotermico (*): SOx, NOx, CO, Particolato (**): Ceneri, Scorie, Reflui Fonte Fonte non rinnovabile rinnovabile X X X X Fonte primaria X X X X X X X X X X Derivato X X X X X X Produzione Produzione Inquinanti CO2 gassosi (*) XXX XX X XX XXX XX X XX X Produzione altri inquinanti (**) Rumore XX XX X XX XX X XX X XX XX XXX X Impatto visivo XXX XXX X X X XXX XX XXX XXX XX IL SISTEMA ELETTRICO NAZIONALE La maggior parte delle centrali di produzione sono connesse tra loro e con il sistema di distribuzione dell’energia, cosicché l’intera rete nazionale può essere vista come un unico carico, il cui fabbisogno di energia è variabile nel tempo secondo dei diagrammi di carico giornalieri. L’andamento del diagramma di carico varia a seconda della stagione dell’anno considerata, tuttavia esso presenta sempre due massimi (punte di carico) ed un minimo notturno. Ponendo 55 in ordinate la potenza richiesta ed in ascisse il tempo, l’area del diagramma di carico rappresenta l’energia giornaliera richiesta. IL SISTEMA ELETTRICO NAZIONALE 56 Esempio di diagramma di carico giornaliero. PB potenza base; A punte di carico, B base del carico, C eccedenze. IL SISTEMA ELETTRICO NAZIONALE - 2 L’adeguamento della produzione alla richiesta viene fatto facendo funzionare alcune centrali in servizio continuativo, in modo che sia sempre disponibile una potenza base PB, mentre altre centrali entrano in funzione per coprire le punte di carico. È evidente che nei periodi in cui la potenza richiesta è minore di PB vi sarà una eccedenza di potenza disponibile. Per sopperire a questo inconveniente si utilizzano frequentemente delle centrali di pompaggio che, nei periodi di eccedenza, pompano acqua dai bacini di valle ai bacini in quota, accumulando così energia potenziale gravitazionale che potrà 57 essere utilizzata il giorno dopo per coprire le punte del carico. IL SISTEMA ELETTRICO NAZIONALE - 3 La scelta delle centrali che devono espletare il servizio di base o quello di punta avviene in base a criteri che possono essere così sintetizzati: − Le centrali idroelettriche hanno tempi di messa in servizio piuttosto ridotti, dell’ordine dei minuti, per cui sono adatte all’espletamento del servizio di punta, che comporta frequenti distacchi ed inserzioni dell’impianto; 58 IL SISTEMA ELETTRICO NAZIONALE - 4 − Le centrali termoelettriche, invece, hanno bisogno di tempi di avviamento molto maggiori, a causa del tempo necessario per fare arrivare il vapore alla pressione ad alla temperatura di funzionamento, con costanti di tempo dell’ordine delle ore (crescente con la potenza). Essendo inoltre di potenza notevolmente maggiore di quelle idroelettriche, esse sono idonee al servizio di base, caratterizzato da un funzionamento 59 continuo, anche se non sempre alla stessa potenza. IL SISTEMA ELETTRICO NAZIONALE - 5 L’insieme delle macchine, apparecchiature e linee destinate alla produzione, trasformazione, trasmissione, distribuzione ed utilizzazione dell’energia elettrica costituisce il SISTEMA ELETTRICO in senso lato. In effetti il sistema complessivo è l’unione di più sottosistemi distinti fra loro a seconda della funzione, della tensione nominale o in base ad altri criteri. In maniera molto schematica la struttura generale di un sistema elettrico di potenza, di tipo trifase, è sintetizzata nella figura, dove60 si fa riferimento ad un unico generatore e si adotta la schematizzazione unifilare per la rappresentazione dei conduttori. IL SISTEMA ELETTRICO NAZIONALE - 6 61 IL SISTEMA ELETTRICO NAZIONALE - 7 Le funzioni delle varie parti del sistema si possono così classificare: − PRODUZIONE di energia elettrica mediante centrali di varo genere, funzionanti a tensione non molto elevata, per problemi di isolamento degli alternatori. − TRASFORMAZIONE delle grandezze elettriche (tensione e corrente) al fine di avere in ogni punto del sistema il valore di tensione più opportuno. Tale funzione viene svolta dalle stazioni di trasformazione (S1, S2, S3) e dalle cabine di 62 trasformazione (C). Le stazioni S1 ed S2 sono dette primarie, le S3 secondarie. IL SISTEMA ELETTRICO NAZIONALE - 8 − TRASMISSIONE dell’energia elettrica, ossia il trasporto di notevoli quantità di energia a grandi distanze e con valori elevati di tensione, mediante linee aeree o in cavo. Nella figura2 il tratto L1 rappresenta una linea di trasmissione ed L2 una linea di trasmissione secondaria. − DISTRIBUZIONE: è l’ulteriore livello del trasporto dell’energia ed interessa il collegamento tra le stazioni, le cabine e le utenze. Si distingue una distribuzione in media tensione (MT) svolta 63 dalla linea L3 ed una in bassa tensione (BT), propria delle linee L4. Nelle zone ad elevata densità di utenza queste linee sono generalmente in cavo. IL SISTEMA ELETTRICO NAZIONALE - 9 - UTILIZZAZIONE dell’energia elettrica, ossia trasformazione di tale energia in una forma adatta ad utilizzazioni civili ed industriali (illuminazione, movimentazione di organi meccanici, ecc.). Nella figura si distinguono le utenze alimentate in AT (U1), in MT (U2) e in BT (U3). La consegna dell’energia elettrica viene effettuata in AT o MT solo per le utenze più importanti (utenze industriali). Per le utenze minori, quali officine o abitazioni (utenze domestiche), le cabine garantiscono una tensione concatenata nominale di circa 400 64 V oppure una tensione fase – neutro di 230 V. IL SISTEMA ELETTRICO NAZIONALE - 10 In realtà il sistema elettrico italiano ha una complessità molto maggiore di quella deducibile dalla figura. Tutte le maggiori centrali di produzione sono tra loro collegate mediante linee di interconnessione, in modo tale che, al livello delle tensioni più alte vi sia una unica rete interconnessa, in cui confluisce tutta l’energia prodotta, con il vantaggio che la messa fuori servizio di una centrale non pregiudica l’alimentazione di una o più zone del territorio nazionale. In questo modo diventa però estremamente delicato il problema della regolazione delle energie prodotte dalle varie centrali e della ripartizione dei flussi65 di energia sulle varie linee. È da tenere presente inoltre la presenza di linee di connessione tra l’Italia ed i paesi confinanti (Francia, Svizzera, Austria) attraverso le quali si attua l’importexport energetico. IL SISTEMA ELETTRICO NAZIONALE - 11 In realtà il sistema elettrico italiano ha una complessità molto maggiore di quella deducibile dallafigura. Tutte le maggiori centrali di produzione sono tra loro collegate mediante linee di interconnessione, in modo tale che, al livello delle tensioni più alte vi sia una unica rete interconnessa, in cui confluisce tutta l’energia prodotta, con il vantaggio che la messa fuori servizio di una centrale non pregiudica l’alimentazione di una o più zone del territorio nazionale. In questo modo diventa però estremamente delicato il problema della regolazione delle energie prodotte dalle varie centrali e della ripartizione dei flussi66 di energia sulle varie linee. È da tenere presente inoltre la presenza di linee di connessione tra l’Italia ed i paesi confinanti (Francia, Svizzera, Austria) attraverso le quali si attua l’importexport energetico. IL SISTEMA ELETTRICO NAZIONALE - 12 Dalla figura si nota che i vari punti del sistema elettrico sono caratterizzati da diversi livelli di tensione. I motivi che portano ad una scelta tecnicamente ed economicamente corretta dei vari valori sono molteplici. Alcuni di essi sono i seguenti: − Isolamento delle macchine e delle apparecchiature, che deve essere proporzionato alla tensione di esercizio; poiché i trasformatori, che sono macchine statiche, sono più facilmente isolabili degli alternatori. si preferisce produrre con tensioni di 15÷30 kV ed elevare la tensione a valori adatti al trasporto 67 mediante i trasformatori. Tali valori sono in generale funzione della potenza da trasmettere e della distanza. IL SISTEMA ELETTRICO NAZIONALE - 13 68 IL SISTEMA ELETTRICO NAZIONALE - 14 - A parità di potenza apparente la corrente I = S / 3 V (in corrente alternata trifase) diminuisce all’aumentare della tensione e pertanto è conveniente effettuare il trasporto, specie per potenze rilevanti, alla tensione più elevata possibile; − Livelli di tensione delle utenze: la maggior parte delle utenze funziona a bassa tensione e pertanto occorrono i vari stadi di trasformazione della tensione, dai valori di trasporto (220 kV, 380 kV) a quelli di utilizzo (220 V, 380 V nella maggior parte dei casi); 69 − Sicurezza degli utenti, che aumenta al diminuire della tensione e pertanto, per le parti di impianto a diretto contatto con le persone, è preferibile adottare bassi livelli di tensione. IL SISTEMA ELETTRICO NAZIONALE - 15 Un’altra considerazione da fare riguarda la frequenza: il sistema di trasmissione generalmente impiegato è quello a corrente alternata trifase di frequenza 50 Hz (in Europa, 60 Hz negli USA). L’adozione di frequenze più elevate comporterebbe macchine di minori dimensioni a pari potenza. Tuttavia gli aumenti delle reattanze magnetiche proprie delle linee e dei generatori renderebbero estremamente difficoltosa la regolazione della tensione e la stabilità dell’esercizio. 70 CONFRONTO TRA CORRENTE ALTERNATA E CORRENTE CONTINUA In generale il trasferimento di energia elettrica tra due punti, nei sistemi elettrici di potenza (escludendo quindi il campo delle telecomunicazioni), può avvenire nei seguenti tre modi: - corrente continua; - corrente alternata monofase a frequenza industriale (50 Hz per l’Europa, 60 Hz per gli USA); 71 - corrente alternata trifase a frequenza industriale. CONFRONTO TRA AC E DC - 2 Il confronto tra i pesi di materiale conduttore è uno dei criteri che determina la convenienza economica della linea. Infatti, il peso del conduttore incide sia sul costo proprio dei conduttori che su quello dei sostegni, della posa in opera della linea, etc. Il confronto tra i tre sistemi di trasmissione deve essere effettuato rispettando le seguenti ipotesi: − parità della potenza trasmessa P [W]; − parità della tensione di trasmissione V [V]; − parità della lunghezza di linea L [m]; 72 − parità della potenza dissipata sulla linea Dp [W]; − parità di conduttore (quindi stesso peso specifico g e stessa resistività r). CONFRONTO TRA AC E DC - 3 CONFRONTO TRA AC E DC - 4 In continua, quindi, il peso dei conduttori è dato da: 74 CONFRONTO TRA CORRENTE ALTERNATA E CORRENTE CONTINUA CORRENTE ALTERNATA MONOFASE rispetto al caso precedente cambia solo l’espressione della corrente che è I = P / (V cos j) e pertanto, nella formula del peso comparirà a denominatore il termine cos2j, ottenendo: 75 CONFRONTO TRA CORRENTE ALTERNATA E CORRENTE CONTINUA CORRENTE ALTERNATA TRIFASE Poiché i conduttori sono tre, si ha: 76 CONFRONTO TRA CORRENTE ALTERNATA E CORRENTE CONTINUA Per qualsiasi valore di cos j, il peso della linea in corrente alternata trifase è sempre minore di quello in corrente alternata monofase; − per qualsiasi valore di cos j, il peso dei conduttori in corrente continua è sempre inferiore a quello in corrente alternata monofase, salvo che per cos j 1, caso in cui i due pesi sono uguali; − per valori di cos j<0.866, il peso in corrente alternata trifase è maggiore di quello in corrente continua e viceversa; 77 − per valori di cos j = 0.866 i due pesi sono uguali. CONFRONTO TRA CORRENTE ALTERNATA E CORRENTE CONTINUA La generazione di energia elettrica avviene quasi totalmente sotto forma di corrente alternata trifase, in quanto i relativi generatori (alternatori trifase) sono costruttivamente più semplici e robusti dei generatori in corrente continua; anche l’utilizzazione avviene prevalentemente in corrente alternata. Volendo effettuare la trasmissione in corrente continua occorre una stazione di conversione a monte ed una a valle della linea. Attualmente la conversione avviene mediante raddrizzatori statici (diodi ed SCR); 78 CONFRONTO TRA CORRENTE ALTERNATA E CORRENTE CONTINUA La trasmissione in corrente continua presenta il vantaggio, rispetto alle linee trifase, di un minore costo degli isolatori e dei sostegni, sia per il fatto di impiegare due conduttori (o anche uno se il ritorno è effettuato a terra) anziché tre, sia perché, a parità di valore efficace della tensione V, la linea a corrente alternata va costruita con un livello di isolamento proporzionato al valore massimo VMAX = 1.41 V, mentre quella a corrente continua deve essere isolata solo per la tensione V; questi vantaggi risultano particolarmente 79 importanti per le linee lunghe ad altissima tensione; CONFRONTO TRA CORRENTE ALTERNATA E CORRENTE CONTINUA − In corrente continua c’è una minore caduta di tensione di linea perché manca la caduta di tensione dovuta alla reattanza induttiva. Altro vantaggio, particolarmente sensibile nelle linee in cavo, è l’assenza di effetti capacitivi. Attualmente la trasmissione di energia elettrica a tensione 220kV - 380kV si effettua con linee aeree trifasi; la corrente continua è stata adottata, per esempio, per l’attraversamento di tratti di mare con cavo sottomarino (Toscana - Corsica - Sardegna a 200kV, 80 Inghilterra - Francia, fiordi norvegesi). LE LINEE ELETTRICHE Le linee di trasporto sono realizzate, generalmente, con conduttori nudi che si appoggiano ad appositi sostegni. Valutazioni di carattere sia elettrico (livello di tensione e di corrente) che meccanico (lunghezza dei tratti di conduttore fra due sostegni, presenza di sollecitazioni aggiuntive, quali vento, neve o ghiaccio) sono alla base dei criteri che conducono alla scelta del materiale conduttore per le linee e la loro organizzazione strutturale. I conduttori (in rame o alluminio) sono realizzati in fili o corde. A parità di resistenza elettrica, un conduttore di alluminio deve avere una sezione maggiorata del 81 60% rispetto ad un conduttore di rame: il suo peso risulta tuttavia circa la metà di quello in rame. Generalmente sono irrobustiti meccanicamente da un’anima interna costituita da una fune di acciaio. CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI ELETTRICI IN BASE ALLA TENSIONE NOMINALE Norma CEI 64-8 ● Sistemi di categoria zero: Vn 50 V se in corrente alternata; Vn 120 V se in corrente continua. ● Sistemi di prima categoria: 50 Vn 1000 V se in corrente alternata; 120 Vn 1500 V se in corrente continua. ● Sistemi di seconda categoria: 1000 Vn 30 000 V se in corrente alternata; 1500 Vn 30 000 V se in corrente continua. ● Sistemi di terza categoria: Vn 30 000 V sia in corrente alternata che in corrente continua Ai fini della distribuzione della energia elettrica si distinguono: ● bassa tensione (BT) Vn < 1000 Volt ● media tensione (MT) 1000 Volt < Vn < 30 000 Volt ● alta tensione (AT) 30 000 Volt < Vn < 130 000 Volt ● altissima tensione (AAT) Vn > 130 000 Volt LE LINEE ELETTRICHE 83 LE LINEE ELETTRICHE Le linee ad alta tensione prevedono la presenza di un conduttore supplementare (indicato con G), denominato fune di guardia, generalmente posto in cima al traliccio di supporto. La sua funzione è quella di costituire una schermatura protettiva dei cavi sottostanti (indicati con L) nei confronti di eventuali fulminazioni dirette. Inoltre, la fune di guardia, metallicamente connessa ai tralicci, abbassa la resistenza di terra complessiva dei singoli tralicci, collegati in parallelo verso terra. La fune di guardia è generalmente costituita d PRZHOG a corde in 84 acciaio zincato o Alumoweld, conduttore con anima in acciaio e strato esterno in alluminio. LE LINEE ELETTRICHE 85 LE LINEE ELETTRICHE Condizioni di umidità e pressione adatte possono favorire l’instaurarsi di un fastidioso fenomeno noto come “effetto corona”, che consiste nella ionizzazione degli strati di atmosfera intorno alla linea. La presenza dell’effetto Corona è spesso visibile come una fascia luminescente di colore azzurrino che riveste i conduttori. Il fenomeno è fonte di perdite energetiche e di disturbi di vario genere, soprattutto sotto forma di scariche il cui spettro di frequenze è abbastanza ampio da arrecare interferenze nelle comunicazioni, entro la banda delle decine di MHz. Per contrastare il fenomeno occorre abbassare il valore del campo elettrico facendo aumentare il diametro dei 86 conduttori di linea: a tale scopo si adottano linee a conduttori multipli a IDVFL (linee doppie o triple) aventi la funzione proprio di aumentare il diametro efficace dei conduttori. LE LINEE ELETTRICHE L’impiego di conduttori nudi comporta la necessità di provvedere ad un loro adeguato isolamento dai supporti (tralicci), interponendo opportuni isolatori costruiti perlopiù in vetro, porcellana o resine polimeriche. Gli isolatori sono formati spesso da elementi assemblati in maniera da formare una catena la cui rigidità dielettrica complessiva risulta circa multipla di quella dell’isolatore singolo. Un ulteriore parametro di progetto è costituito dalla forma degli isolatori. Il problema della forma è particolarmente curato per gli isolatori per esterno. A differenza di quelli per interni, infatti, devono far fronte a condizioni di esercizio certamente più 87 gravose per la presenza di fattori ambientali sfavorevoli, quali la pioggia, l’umidità e l’azione di agenti contaminanti (fumi industriali e/o salsedine nelle zone costiere). LE LINEE ELETTRICHE 88 L’isolatore a perno, impiegato soprattutto per le medie e le basse tensioni, presenta un corpo in vetro o porcellana (tratteggiato in figura). Il conduttore viene sistemato nella scanalatura superiore S oppure fissato lateralmente nella gola C. La parte inferiore è munita di un foro rigato che ne consente il fissaggio su un perno portaisolatore P. LE LINEE ELETTRICHE L’isolatore a cappa e perno (vedi figura 7.b), impiegato per le alte tensioni, ha una struttura che lo rende idoneo a formare catene sospese. Al corpo, in vetro o porcellana, vengono applicati, in testa, una cappa superiore C e, in basso, un perno di ghisa P. La 89 catena viene assemblata agganciando un perno entro l’alloggiamento di una cappa, fino a raggiungere una lunghezza complessiva dipendente dalle specifiche necessità di isolamento- SOVRATENSIONI Il dimensionamento e la tenuta degli isolamenti non può essere riferito alla sola tensione di normale esercizio delle linea ma deve offrire adeguata sicurezza anche nei confronti di eventuali sovratensioni, quasi sempre di carattere transitorio, spesso molto più elevate dei valori massimi per i quali è previsto il normale funzionamento dell’impianto. 90 SOVRATENSIONI Le sovratensioni per CAUSE INTERNE sono quelle prodotte da variazioni di regime più o meno brusche legate, in genere, a: a) manovre sugli impianti, generalmente riconducibili a chiusura o apertura di un interruttore, b) improvvisa riduzione del carico, c) risonanza in rete, d) contatto accidentale di un impianto con un altro a tensione 91 di esercizio maggiore. SOVRATENSIONI Le sovratensioni per CAUSE ESTERNE sono imputabili a fenomeni di origine atmosferica, dovuti, in genere, a induzione elettrostatica e/o elettromagnetica. Il caso più grave è certamente quello della fulminazione diretta, quando una linea viene colpita da un fulmine. (Un fulmine presenta valori tipici di tensione massima di circa 1÷5 MV, per tempi di 5÷50 μs. Il valore massimo della corrente prodotta da un fulmine varia fra circa 5 e 100 kA). Lo studio delle sovratensioni può essere condotto per via teorica analizzando in regime transitorio il modello circuitale della linea, costituito da equazioni differenziali alle derivate parziali. La verifica 92 sperimentale consiste nel sottoporre singoli componenti o tratti di linea a prove normalizzate con appositi generatori di tensione, sia in regime sinusoidale (a frequenza industriale) che in regime transitorio. SOVRACORRENTI Un SOVRACCARICO è la causa più frequente di sovracorrente, consistente nel superamento dei valori di corrente per i quali una linea o una apparecchiatura sono proporzionate. Si tratta, quasi sempre, di fenomeni di durata limitata, che si verificano in connessione con l’intrinseca modalità di funzionamento di alcuni dispositivi: un esempio tipico è costituito dalle elevate correnti di spunto dei motori asincroni in fase di avviamento, fino a 6 ÷ 8 volte superiori alle correnti nominali. I sovraccarichi hanno un effetto quasi esclusivamente termico: se sono di durata limitata e non si ripetono troppo frequente93 mente, sono privi di conseguenze pericolose. A sovraccarichi via via più rilevanti corrispondono danni sempre più gravi: a partire dal semplice, anche se irreparabile, deterioramento dell’isolante dei cavi, si arriva al vero e proprio incendio. SOVRACORRENTI Una corretta protezione dal sovraccarico richiede che siano rispettate le seguenti condizioni: 1) la corrente nominale del dispositivo di protezione non deve essere inferiore alla corrente di normale esercizio del conduttore entro il quale è inserito (al fine di evitare interventi inopportuni); 2) la corrente nominale del dispositivo di protezione deve essere inferiore alla corrente massima sopportata dal conduttore in regime permanente (l’intervento della protezione deve aver luogo prima che il conduttore sia compromesso 94 definitivamente); 3) il tempo di intervento deve essere inversamente proporzionale all’entità del sovraccarico. SOVRACORRENTI Le sovracorrenti più rilevanti, e pericolose, sono quelle dovute a un cortocircuito tra due elementi dell’impianto non equipotenziali: in tempi brevissimi si possono raggiungere valori elevatissimi della corrente, limitati solo dalle caratteristiche del generatore equivalente della linea a monte della zona di guasto. 95 SOVRACORRENTI Le condizioni per la protezione più efficiente dal cortocircuito sono: 1) il dispositivo di protezione deve avere un potere di interruzione non inferiore al valore presumibile per la corrente di cortocircuito nel punto di installazione del dispositivo; 2) l’intervento deve aver luogo in maniera tempestiva per un cortocircuito che si verifichi in qualunque punto della linea protetta, prima che isolanti o conduttori risultino irrimediabilmente danneggiati; 3) il dispositivo deve essere installato all’inizio del tratto da 96 proteggere, con una tolleranza di 3 m (salvo eventuali rischi di incendio); 4) la corrente nominale del dispositivo deve essere non inferiore alla corrente di esercizio ordinario della linea protetta. SOVRACORRENTI La corrente di corto circuito Icc in un punto di un impianto elettrico rappresenta la corrente che circolerebbe in un conduttore di resistenza trascurabile che collegasse le linee in tensione. Il valore di Icc dipende da una molteplicità di fattori, quali la sezione e la lunghezza delle linee a monte del guasto o la potenza nominale del trasformatore di alimentazione più prossimo. 97 SOVRACORRENTI Un criterio prudenziale consiste nell’assumere quale valore presunto della corrente di cortocircuito quello corrispondente al caso peggiore, quando si supponga l’impedenza di cortocircuito nulla e il tempo di intervento delle protezioni abbastanza lungo da consentire alla corrente di raggiungere il valore di regime, a transitorio estinto. Oltre che per il dimensionamento delle protezioni, una valutazione preventiva delle correnti di cortocircuito risulta essenziale anche per prevedere gli sforzi elettrodinamici indotti sui conduttori e negli 98 avvolgimenti delle macchine elettriche. APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE La gestione e la sicurezza di una rete elettrica è affidata ad una molteplicità di apparecchiature che provvedono a: a) realizzare le manovre richieste dalle esigenze dell’utenza in condizioni di esercizio ordinario, b) far fronte in maniera automatica ad anomalie di funzionamento che possano costituire pericolo per le cose o le persone. La sintetica panoramica che segue prescinde intenzionalmente dalle complesse problematiche tipiche delle reti in AT, 99 limitandosi a far riferimento soprattutto alle reti in media e bassa tensione. APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE Il normale esercizio degli impianti prevede la necessità di inserire o disinserire generatori, carichi o intere sezioni di rete. Gli apparecchi di manovra a tale scopo utilizzati presentano caratteristiche funzionali che dipendono fortemente dalla gravosità delle condizioni operative cui devono fare fronte. Gli interruttori consentono la chiusura e l’apertura di una linea sotto carico anche in condizioni di cortocircuito. 100 APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE Interruttori: versione azionata dall’operatore e versione 101 automatica, il cui funzionamento è asservito all’intervento di un sistema di protezione (con sensori, relè o altro). APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE In base alle operazioni che sono in grado di compiere, gli interruttori sono distinti in: INTERRUTTORI: sono in grado di stabilire, condurre ed interrompere la corrente in condizioni normali del circuito ed anche di stabilire, condurre per un tempo determinato ed interrompere la corrente in determinate condizioni anormali come quelle di cortocircuito. Possiedono due posizioni stabili di funzionamento (aperto e chiuso) nelle quali102possono permanere in assenza di azioni di comando esterne. APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE INTERRUTTORI DI MANOVRA: sono in grado di stabilire, condurre ed interrompere la corrente in condizioni normali del circuito, comprese eventualmente specificate condizioni di sovraccarico in servizio. Possono essere in grado di stabilire e di condurre per una durata specificata la corrente in condizioni di cortocircuito, ma non sono in grado di interromperla. Possiedono due posizioni stabili di funzionamento (aperto e chiuso) nelle quali possono 103 permanere in assenza di azioni di comando esterne. APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE All’apertura di una rete sotto carico si manifesta quasi sempre un arco elettrico che tende a conservare la continuità della corrente. Generalmente gli interruttori sono costruiti in maniera tale da non impedire la formazione dell’arco, la cui presenza limita le sovratensioni induttive, ma nel contempo provvedere alla sua estinzione in tempi brevi (dell’ordine dei millisecondi) ed impedirne il riadescamento a manovra conclusa. 104 Affinché questo avvenga si devono adottare determinati accorgimenti, consistenti in: APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE − DEIONIZZAZIONE DELL’AMBIENTE, sostituendo il dielettrico ionizzato con altro non ionizzato, in modo da ripristinare la rigidità dielettrica tra i contatti; − ALLUNGAMENTO DELL’ARCO e suo eventuale frazionamento in archi elementari, allo scopo di aumentare il valore di tensione necessario al sostentamento dell’arco stesso; − RAFFREDDAMENTO dei contatti per evitare l’emissione termoionica e limitare la sollecitazione termica. 105 APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE Le principali caratteristiche funzionali che caratterizzano un interruttore sono: − La TENSIONE NOMINALE DI ESERCIZIO Ve, che rappresenta la tensione alla quale vengono riferite le prestazioni dell’apparecchio sia nelle normali operazioni di apertura e chiusura che in condizioni di cortocircuito. Nel caso di reti trifasi, occorre riferirsi alla tensione concatenata. I valori più comuni tra quelli normalizzati sono 220, 440, 660, 1500, 106 3000 per la c.c. e 220, 380, 660, 2400, 3000, 6000, 10000 per la c.a.. APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE − La TENSIONE NOMINALE DI ISOLAMENTO Vi, che è il valore di tensione, generalmente fissato dalle norme, che garantisce l’isolamento dell’apparecchio o di un suo componente accessorio. − Le TENSIONI PER IL COORDINAMENTO DELL’ISOLAMENTO, che esprimono livelli di sovratensione ai quali occorre far riferimento per la scelta e il dimensionamento delle parti isolanti: corrispondono a differenti condizioni 107 operative, usualmente normalizzate, quali, ad esempio, la prova di tenuta ad impulso per la simulazione della fulminazione. APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE − La CORRENTE NOMINALE, che è il valore della corrente che l’interruttore può condurre in assegnate condizioni ambientali e nel rispetto delle specifiche termiche progettuali. Il valore può variare a seconda del tipo di servizio previsto, continuo o discontinuo. − Il POTERE NOMINALE DI INTERRUZIONE Iin, espresso dal valore della corrente di cortocircuito che un interruttore automatico può interrompere ad una tensione superiore di non oltre il 10% rispetto a quella nominale, quando la frequenza e il fattore 108 di potenza siano quelli nominali. Il potere di interruzione, indicato sulla targa di identificazione dell’apparecchio, deve essere superiore alla corrente di cortocircuito presunta nel punto di installazione della protezione.. APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE − Il POTERE NOMINALE DI CHIUSURA SU CORTO CIRCUITO Icn, la corrente di cortocircuito sulla quale un interruttore può essere chiuso ad una tensione superiore del 10% a quella nominale, a frequenza e fattore di potenza nominale. Ci si riferisce, generalmente, a valori normalizzati della corrente di cortocircuito, secondo la serie seguente, espressa in kA: Icc, [kA]: 6.3; 8; 10; 12.5; 16; 20; 25; 31.5; 40; 50; 63; 80; 100. 109 La necessità di far fronte a sollecitazioni meccaniche e termiche anche molto gravose rende, in conclusione, gli interruttori molto ingombranti, pesanti e costosi. APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE I TELERUTTORI Sono dimensionati per interrompere le sole correnti di normale esercizio, con esclusione di quelle di cortocircuito. Sono caratterizzati da una unica posizione stabile di funzionamento che è quella di aperto. Nella posizione di chiuso possono permanere solo in presenza di una azione di comando, generalmente di tipo elettromagnetico. Confrontato con un interruttore di uguale corrente nominale, un contattore presenta, dunque, struttura più semplice, dimensioni ridotte e 110 costo sensibilmente inferiore. APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE I TELERUTTORI contattore a comando manuale ed automatico Nella forma più semplice vengono impiegati nelle reti di Categoria 1 (V < 1000 V in alternata oppure V < 1200 V in 111 continua); in versione speciale sotto vuoto sono anche usati nell’ambito delle reti a MT. APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE I SEZIONATORI Sezionatore a comando manuale ed automatico Sono destinati ad interrompere la continuità elettrica per le sole linee a vuoto. I loro contatti, spesso del tipo a 112 coltello, sono generalmente visibili e forniscono, in tal modo, una sorta di assicurazione visiva sullo stato di apertura della linea. APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE I SEZIONATORI Sezionatori a semplice interruzione: nella posizione di circuito chiuso, il conduttore a lama L, incernierato ad una estremità, viene mantenuto fra le espansioni del morsetto fisso di sinistra, collegando, così, i due conduttori C. La rotazione della lama L 113 interrompe la continuità ohmica dei conduttori C. Entrambi i blocchi superiori sono supportati da isolatori I il cui dimensionamento va riferito alla tensione fra i morsetti a circuito aperto. APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE I SEZIONATORI 114 Sezionatori a doppia interruzione: la rotazione della lama produce, come è evidente, una duplice interruzione per ogni linea. APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE I SEZIONATORI La manovra dei sezionatori può essere effettuata a mano o con l’ausilio di azionamenti elettrici o meccanici: è importante, in ogni caso, che rimanga rigorosamente subordinata, a quella degli interruttori (o dei teleruttori), in modo che i sezionatori operino sempre a vuoto. Nella fase di interruzione del circuito, si apre prima l’interruttore e poi i sezionatori; in quella di 115 ripristino della continuità invece si richiudono prima i sezionatori e poi l’interruttore. APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE I SEZIONATORI 116 APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE I FUSIBILI I fusibili rappresentano i più semplici e, spesso, i più rapidi dispositivi di protezione contro le sovracorrenti. Sono costituiti essenzialmente da un corto conduttore in lega a basso punto di fusione alloggiato entro un apposito contenitore. Per le loro caratteristiche intrinseche i fusibili non discriminano fra sovraccarico e cortocircuito: il tempo di intervento dipende esclusivamente dal raggiungimento del regime termico che ne determina la fusione (decresce all’aumentare della corrente). Indicando con Rf la resistenza del conduttore con il quale il 117 fusibile è realizzato, la protezione interviene interrompendo il circuito quando il calore WJ dissipato per effetto Joule nell’ intervallo convenzionale di intervento [0, Ti] supera il calore di fusione Wf. APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE I FUSIBILI La forma del fusibile; a) l simbolo del fusibile,; b) il fusibile con 118 indicazione dell’estremo che rimane in tensione dopo l’intervento. APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE I FUSIBILI La scelta di un fusibile viene effettuata con riferimento a questi parametri: − La CORRENTE NOMINALE (definita anche portata) che rappresenta la corrente massima che può percorrere il fusibile senza che questo fonda. − LA FORMA D’ONDA DELLA CORRENTE: il regime stazionario rappresenta certamente la condizione più gravosa. − Il POTERE DI INTERRUZIONE NOMINALE: è definito in maniera analoga a quello degli interruttori. − La119TENSIONE NOMINALE è quella alla quale sono riferite le prestazioni del fusibile: deve essere non inferiore a quella di esercizio normale della linea da proteggere. APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE I FUSIBILI I fusibili sono spesso utilizzati in coordinamento di protezione con un interruttore: quando si preveda la possibilità che la corrente di cortocircuito superi il potere di interruzione 120 nominale dell’interruttore automatico, occorre inserire a monte di questo il fusibile (la piccola freccia indica usualmente la sezione nella quale si è verificato il guasto). APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE GLI SPINTEROMETRI Gli scaricatori rappresentano i più semplici dispositivi di protezione contro le sovratensioni. Nella versione spinterometrica sono costituiti da due elettrodi affacciati posti ad una certa distanza: uno di essi fa capo alla linea da proteggere mentre l’altro è collegato direttamente a terra. Quando la tensione di linea supera la rigidità dielettrica dell’aria interposta fra le punte dello scaricatore, si verifica un arco, che costituisce la via preferenziale attraverso la quale si scarica la sovratensione: la distanza fra le punte dipende 121 dal valore della tensione per la quale si desidera che avvenga l’innesco dell’arco. APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE GLI SPINTEROMETRI 122 APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE GLI SPINTEROMETRI Nei sistemi ad alta tensione si dà la preferenza ai cosiddetti scaricatori a resistenza non lineare: relativamente più costosi degli altri, sono realizzati ponendo in serie uno scaricatore spinterometrico con una resistenza non lineare allo scopo di mantenere praticamente costante la tensione ai capi della protezione. Il dimensionamento dello scaricatore può essere così effettuato sulla base di una tensione fissata e nota, indipendente dalla corrente che si scarica a terra attraverso l’arco. La tendenza è quella di realizzare gli scaricatori con un 123 solo elemento non lineare (ad es., in ossido di zinco). Gli scaricatori, ovviamente, vanno installati il più vicino possibile alle apparecchiatura da proteggere. APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE I RELÉ Il termine (adattamento fonetico dal francese “relais”) indicava, originariamente, un dispositivo, con funzioni sia di protezione che di manovra, costituito, in sostanza, da un elettromagnete. In tale relè elettromagnetico, eccitato da una opportuna corrente di comando ic, la forza di attrazione sviluppata vince la resistenza di una molla antagonista M e sposta una ancora A mobile capace di operare un azionamento meccanico, ad esempio, per aprire o chiudere i 124 contatti C. APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE I RELÉ 125 APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE I RELÉ Nella accezione attuale il relé designa una gamma molto ampia di dispositivi, anche estremamente complessi, ai quali viene asservita una molteplicità di dispositivi di comando o di segnalazione, in funzione dell’andamento di una o più grandezze caratteristiche dei circuiti. In relazione alla grandezza alla quale sono sensibili, i relè vengono classificati come voltmetrici, amperometrici, wattmetrici, frequenzimetrici, a impedenza, termici, tachimetrici, ecc. L’impiego di trasduttori 126 consente la realizzazione di relè sensibili anche a grandezze non elettriche, quali pressione, posizione, ecc. APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE I RELÉ Versatili ed affidabili circuiti elettronici costituiscono la struttura di base di dispositivo funzionalmente classificabili come relé statici per la mancanza di parti in movimento: l’apertura o la chiusura di contatti viene effettuata sfruttando le proprietà di componenti non lineari come i diodi controllati (SCR) o i transistors. . 127 APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE I RELÉ Una ulteriore suddivisione fa riferimento al valore della grandezza controllata: − relé di massima sono quelli che intervengono quando una certa grandezza supera un valore prefissato; − i relé di minima intervengono quando la grandezza da controllare scende al di sotto di una soglia determinata; − i relé differenziali sono sensibili alla differenza fra due 128 grandezze, ad esempio tra quella di ingresso e quella di uscita da un certo dispositivo. APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE I RELÉ I relè possono essere dotati di un blocco, che rende stabile la posizione di un contatto, indipendente dalla modifica della condizione di eccitazione: un ripristino eventuale della condizione precedente del contatto prevede un riarmo manuale. Il relè si dice a scatto istantaneo se il suo tempo di intervento è limitato solo dall’inerzia delle masse in gioco; in molti casi è, tuttavia, desiderabile far ricorso a un relé a scatto ritardato che esplica la sua azione dopo un certo ritardo, 129 eventualmente programmabile. APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE RELÉ AMPEROMETRICO 130 APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE RELÉ VOLTMETRICO 131 APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE RELÉ TERMICO La 132 corrente I fluisce nella lamina bimetallica (1) e nel cavo flessibile (2), e ne provoca il riscaldamento e il progressivo incurvamento, fino a determinare lo scatto del meccanismo di sgancio (3) APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE RELÉ MAGNETOTERMICO Risulta dalla combinazione di un relè termico con un relè elettromagnetico e sfrutta le caratteristiche di entrambi per realizzare una più efficace caratteristica di protezione. In particolare, i due componenti di base vengono calibrati in modo tale che: − per correnti non troppo elevate (da circa 3 a circa 15 volte la corrente nominale del circuito) è previsto l’intervento del relè 133 termico; − per correnti superiori interviene il relè elettromagnetico. 134 caratteristica corrente – tempo di un relé magnetotermico APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE RELÉ DIFFERENZIALE 135 L’ENERGIA ELETTRICA IN ITALIA 2014 136 dati: TERNA spa – bilancio di sintesi 2014 137 BILANCIO ENERGIA ELETTRICA IN ITALIA – 2014 dati: TERNA spa – bilancio di sintesi 2014 138 RICHIESTA ENERGIA ELETTRICA PER AREE TERRITORIALI 2014 139 L’ENERGIA ELETTRICA IN ITALIA 2014 I dati definitivi sul bilancio elettrico del 2014 fanno registrare una riduzione del fabbisogno del 2,5% sul 2013. Il totale dell’energia richiesta in Italia è stato pari a 310,5 miliardi di kilowattora. Consumi: si registra una riduzione complessiva dei consumi del 2,1%: l’industria scende dell’1,9%, il domestico del 4,1%, il terziario dello 0,8% e l’agricoltura del 5,4%. 140 dati: TERNA spa – bilancio di sintesi 2014 L’ENERGIA ELETTRICA IN ITALIA 2014 Produzione: aumenta il contributo delle rinnovabili sul fabbisogno pari al 38,9% (era il 35,1% nel 2013). La produzione lorda di energia elettrica da fonti rinnovabili aumenta del 7,7% raggiungendo i 120,7 miliardi di kWh. Continua l’incremento della produzione fotovoltaica (+3,3%) e si registra un forte incremento sia della produzione idroelettrica rinnovabile (+10,9%) sia delle bioenergie (+9,6%). Si conferma il primato del gas naturale, con una 141 quota del 54,5% della produzione termoelettrica. dati: TERNA spa – bilancio di sintesi 2014 L’ENERGIA ELETTRICA IN ITALIA 2014 Centrali elettriche: la potenza complessiva risulta in calo del 2,2% rispetto al 2013; tale decremento è dovuto al parco termoelettrico per il quale si registrano 3.446 MW in meno rispetto al 2013 (-4,6%), continua invece l’incremento del fotovoltaico, circa il 2,3% in più rispetto al 2013. Regioni: 12 su 20 in deficit di produzione rispetto al fabbisogno. 142 dati: TERNA spa – bilancio di sintesi 2014 L’ENERGIA ELETTRICA IN ITALIA 2014 Calo complessivo dei consumi (fabbisogno al netto delle perdite di rete) del 2,1%. [1/2] La distribuzione dei consumi di energia elettrica per settore economico mostra una dinamica negativa dei consumi dell'Industria, -1,9% sul 2013, registrando comunque una flessione minore rispetto al biennio precedente (tra il 2012 e il 2013 il calo è stato del 4,5%). Il settore industriale, con un 143 consumo di 122,5 miliardi di kWh, ha rappresentato nel 2014 il 42,1% del totale dei consumi (42,0% nel 2013). dati: TERNA spa – bilancio di sintesi 2014 L’ENERGIA ELETTRICA IN ITALIA 2014 Calo complessivo dei consumi (fabbisogno al netto delle perdite di rete) del 2,1%. [2/2] Si registra un decremento del 4,1% anche nel settore Domestico e del 5,4% nel settore dell’Agricoltura; inoltre è stata registrata una variazione negativa rispetto al 2013 per i consumi del Terziario, seppur minore rispetto a quella registrata nel biennio precedente: questi nel 2014 risultano pari144a 99,0 miliardi di kWh (-0,8% rispetto al 2013). dati: TERNA spa – bilancio di sintesi 2014 L’ENERGIA ELETTRICA IN ITALIA 2014 PRODUZIONE [1/3] Crescono le rinnovabili (+7,7%), si conferma il primato del gas naturale nella produzione termica (54,5%). Nuovo record storico per la produzione lorda da fonte idroelettrica che tocca i 60,3 miliardi di kWh. Nel 2014, la richiesta di energia elettrica è stata soddisfatta per l’85,9% da produzione nazionale, per un valore pari a 266,8 miliardi di kWh, con una riduzione del 3,4% rispetto al 2013. La 145 restante quota del fabbisogno è stata coperta dalle importazioni nette dall’estero, per un valore pari a 43,7 miliardi di kWh, 3,7% in più rispetto all’anno precedente. L’ENERGIA ELETTRICA IN ITALIA 2014 PRODUZIONE [2/3] Per quanto riguarda, in particolare, la produzione nazionale, nel 2014 si registra un incremento delle fonti rinnovabili (idrica, eolica, fotovoltaica, geotermica e bioenergie) sul consumo interno lordo di energia elettrica del 7,7%. La produzione eolica lorda ha raggiunto i 15,2 miliardi di kWh (+1,9%), la produzione fotovoltaica lorda ha raggiunto i 22,3 miliardi di kWh (+3,3%), la produzione lorda da bioenergie ha raggiunto i 18,7 miliardi di kWh (+9,6%). 146 dati: TERNA spa – bilancio di sintesi 2014 L’ENERGIA ELETTRICA IN ITALIA 2014 PRODUZIONE [3/3] Le produzioni da fonte idrica e termica, che rappresentano rispettivamente il 22,1% ed il 62,1% della produzione netta nazionale, sono risultate, rispetto all’anno precedente, in crescita (+10,2%) per quanto riguarda l’idroelettrico e in flessione (-8,9%) per quanto riguarda il termoelettrico. Tra i combustibili impiegati per la produzione termoelettrica, si conferma il primato del gas naturale: ammonta a 91,1 miliardi di kWh la quantità di energia elettrica prodotta con gas 147 naturale, pari al 54,5% della produzione termoelettrica complessiva (in calo del 14,1% rispetto al 2013). Segue il carbone con una quota pari al 22,8% (39,4 miliardi di kWh, in flessione di un 3,4% rispetto al 2013). ANDAMENTO DEL MIX PRODUTTIVO IN ITALIA 148 149 COMPOSIZIONE % DELL’OFFERTA (inizio 2015) 150 L’ENERGIA ELETTRICA IN ITALIA 2014 POTENZA [1/2] La potenza risulta in calo rispetto al 2013, con una riduzione di 2.753 MW (-2,2%) In termini di potenza installata, nel 2014 la potenza efficiente netta di generazione è risultata pari a 121.762 MW (-2,2% rispetto al 2013), con un decremento di 2.753 MW. Il calo è dovuto alle dismissioni avute nel termoelettrico per 3.446 MW (-4,6% rispetto al totale del parco termoelettrico 151 2013); viceversa si è riscontrato un incremento nel settore fotovoltaico, ove risultano 424 MW in più, con una crescita del 2,3% rispetto al 2013. L’ENERGIA ELETTRICA IN ITALIA 2014 POTENZA [2/2] Il numero degli impianti e la potenza relativi al settore fotovoltaico sono stati oggetto di lavoro congiunto di allineamento tra i dati anagrafici presenti nel sistema GAUDI’, gestito da Terna, e gli archivi utilizzati dal GSE. Picco di domanda: 51.550 MW La punta massima di domanda del 2014 si è registrata il 12 giugno alle ore 12, quando il carico toccò quota 51.550 MW, 152 4,4% rispetto alla punta del 2013 (53.942 MW) e inferiore al record assoluto di 56.822 MW raggiunto il 12 dicembre 2007. dati: TERNA spa – bilancio di sintesi 2014 IL PREZZO UNICO NAZIONALE MEDIO NEL TRIENNIO 2013-2015 153 IL COSTO DELL’ENERGIA ELETTRICA E DEL GAS IN EUROPA 154 PREZZI ENERGIA ELETTRICA PER I CONSUMATORI DOMESTICI [c€/kWh, al netto e al lordo delle imposte] 155 IL COSTO DELL’ENERGIA ELETTRICA IN EUROPA NEL 2013 PER LE INDUSTRIE 156 IL COSTO DEL GAS PER LE FAMIGLIE IN EUROPA 157 CONDIZIONI ECONOMICHE DI FORNITURA PER UNA FAMIGLIA CON 3 KW DI POTENZA IMPEGNATA E 2700 kWh DI CONSUMI ANNUI 158 EFFETTI BIOLOGICI DELLA CORRENTE ELETTRICA La corrente elettrica, attraversando il corpo umano, produce effetti che possono essere dannosi, fino a portare alla morte, a seconda del valore della intensità della corrente, della frequenza e del tempo di contatto: ● Tetanizzazione dei muscoli: i muscoli (anche quelli che presiedono alla respirazione) rimangono contratti, indipendentemente dalla volontà della persona. ● Fibrillazione ventricolare: il cuore perde la sua capacità di contrarsi ritmicamente e non è più in grado di assicurare la circolazione sanguigna. ● Ustioni: il passaggio della corrente elettrica produce dissipazione di energia per effetto Joule e conseguente incremento della temperatura. Le ustioni prodotte risultano particolarmente dannose in quanto interessano anche i tessuti interni del corpo CURVA DI SICUREZZA CORRENTE-TEMPO curva di pericolosità della corrente elettrica in regime di corrente alternata con una frequenza compresa tra 15 e 100 Hz. CURVA DI SICUREZZA CORRENTE-TEMPO ● Se la corrente (valore efficace) è inferiore alla soglia di percezione (0.5 mA) il fenomeno non viene percepito ● Se la corrente è inferiore alla soglia di tetanizzazione (10 mA) la persona riesce a sottrarsi volontariamente al contatto senza conseguenze. ● Se la corrente supera la soglia di tetanizzazione il contatto deve essere interrotto da un dispositivo esterno prima di un tempo limite, individuato dalla curva di sicurezza, affinchè la persona non abbia conseguenze. CURVA DI SICUREZZA TENSIONE-TEMPO 10 Dalla curva di sicurezza corrente-tempo, tenendo conto dei possibili valori della resistenza del corpo umano e della sua resistenza verso terra, le norme ricavano la curva di sicurezza tensione– tempo. 1 t [s] 0.1 0.01 20 50 100 Tensione [V] 200 Curva di sicurezza tensione-tempo per impianti di categoria 1 (CEI 64-8) CURVA DI SICUREZZA TENSIONE-TEMPO ● Se la tensione è inferiore ad un valore limite (50 V in ambiente al chiuso con una valore di resistenza verso terra di 1000 ) il contatto può permanere per un tempo infinito senza conseguenze. ● Se la tensione è superiore al valore limite, la sicurezza viene raggiunta solo se l’impianto è in grado di interrompere il contatto prima del tempo limite definito dalla curva di sicurezza. ● Il valore di tensione da utilizzare è il valore di tensione di contatto a vuoto (calcolato supponendo nulla la corrente sulla persona) SICUREZZA ELETTRICA NEGLI IMPIANTI DI DISTRIBUZIONE DELL’ENERGIA ELETTRICA IN BT ● La distribuzione della energia elettrica in BT viene fatta mediante linee elettriche trifase (Vc = 380 V) col filo neutro collegato a terra. ● Si definisce massa ogni conduttore, accessibile dalle persone, che è separato dai conduttori attivi dall’isolamento principale e che quindi normalmente non è in tensione rispetto al terreno, ma va in tensione quando si rompe l’isolamento principale. SICUREZZA ELETTRICA NEGLI IMPIANTI DI DISTRIBUZIONE DELL’ENERGIA ELETTRICA IN1BT 1 2 3 n ig 2 3 n ig ● Il contatto di una persona con un conduttore in tensione, con conseguente elettrocuzione, può avvenire con una massa, in presenza della rottura dell’isolamento principale (contatto indiretto), o direttamente con i conduttori attivi (contatto diretto). ● Per la pericolosità non c’è alcuna differenza! PROTEZIONE DAI CONTATTI INDIRETTI 1 2 3 n relè differen ziale ig ig iT ig RP = resistenza della persona RPT = resistenza di terra della persona RN = resistenza di terra del neutro ● RP ed RPT dipendono dalla persona Vc 3 R N + - R R T iT P iP RP T iP La protezione dai contatti indiretti, secondo la norma CEI 64-8, si realizza mediante: ● Installazione di un interruttore differenziale con corrente di intervento differenziale non superiore a 30 mA. ● Collegamento a terra di tutte le masse del sistema. ● Coordinamento dei valori della resistenza di terra e della corrente di intervento differenziale dell’interruttore. COORDINAMENTO DELLE PROTEZIONI ig + Vc 3 + - RT iT RN RP vC iP - VC tensione di contatto (valore efficace) VC0 tensione di contatto a vuoto = tensione di contatto quando la corrente ip è nulla (Rp = ): VC 0 RT Ig RPT Per ogni valore delle resistenze RP e RTP risulta: Se la corrente di guasto è inferiore alla corrente di intervento differenziale dell’interruttore: Affinché sia garantita la sicurezza, dalla curva di sicurezza tensione-tempo, supponendo un tempo di contatto infinito deve essere: Ig I DN VC 0 UL Il TERRENO Nello studio del funzionamento degli impianti elettrici è indispensabile considerare la presenza del terreno. Il terreno si comporta come un “conduttore” in grado di assorbire o cedere qualsiasi quantità di carica senza modificare il suo potenziale. 1 10 100 1000 10000 m acqua di fiume acqua di mare argille argille con sabbia sabbia terreno ghiaioso rocce compatte Valori indicativi della resistività elettrica di alcuni tipi di terreno EFFETI DEL TERRENO La presenza del terreno modifica il percorso delle linee di campo elettrico sotto una linea aerea + La presenza del terreno permette il passaggio della corrente elettrica tra due dispersori di terra I A B I T A RA B RB Il nodo T rappresenta un punto nel terreno posto ad infinita distanza da tutti i dispersori di terra dove il potenziale elettrico assume sempre il valore zero qualunque sia la corrente I che circola nei dispersori. CALCOLO DELLA RESISTENZA DI TERRA B R0 I Si consideri un dispersore emisferico di raggio R0 che disperda in un terreno omogeneo, di conducibilità s, una corrente I. La legge di variazione del potenziale elettrico è: r I 1 V r 2s r B Il potenziale elettrico è massimo in corrispondenza della superficie del dispersore e si annulla asintoticamente all’infinito. La resistenza di terra RB del dispersore assume quindi il valore: RB T I I RB 2sR0 Per realizzare valori piccoli della resistenza di terra è molto importante disporre attorno al dispersore un terreno avente una buona conducibilità elettrica PRODUZIONE, TRASMISSIONE, UTILIZZAZIONE DELL’ENERGIA ELETTRICA CORSO DI AGGIORNAMENTO PER EROGAZIONE DI 4 C.F.P. Roma, 16 Aprile 2016 a cura di Ezio Santini 171 GRAZIE PER L’ATTENZIONE