Post on 18-Feb-2021
CENNI DI IMPIANTI ELETTRICI
Prof. M.S. Sarto
ELETTROTECNICALaurea Ing. Aerospaziale -
1°
livello
Sistema elettrico•
Un sistema elettrico può essere:–
Circuito alimentato da un accumulatore
(ad esempio:
l’impianto elettrico di un’automobile, un riproduttore audio portatile)
–
Struttura di grandi dimensioni ed estremamente complessa
l’Europa è
coperta da un’unica rete
elettrica funzionante in regime sinusoidale a 50
Hz•
In tal caso il sistema elettrico svolge fondamentalmente tre funzioni:
generazione di potenza elettrica
trasmissione e regolazione della potenza
distribuzione della potenza agli utilizzatori
Un sistema elettrico di produzione, trasmissione edistribuzione dell'energia elettrica constaschematicamente dei seguenti elementi:
-
Impianti di produzione- Linee di trasmissione AT;-
Stazioni primarie;
-
Linee di distribuzione AT;-
Cabine primarie;
-
Linee di distribuzione MT;-
Cabine secondarie;
-
Linee di distribuzione BT
Sistema elettrico
Sistema elettrico
CLASSIFICAZIONE DEGLI IMPIANTI ELETTRICI
CATEGORIA LIVELLO TENSIONE A.C. LIVELLO TENSIONE D.C.
0 BT:
Vn
50 V BT:
Vn
120 V
1 BT:50 V
Vn
1000 V
BT:120 V
Vn
1500 V
2 MT:1 kV
Vn
30 kV
MT:1.5 kV
Vn
30 kV
3 AT: Vn
30 kV
(AAT:
Vn
50 kV)AT:
Vn
30 kV
(AAT:
Vn
50 kV)
SCHEMA DI IMPIANTO ELETTRICO
GMT AT
MT
BT
BT
MT/AT AT/MT
MT/BT
MT/BT
Generazione in MT
(10-15 kV)
Trasmissione in AT
(220-380 kV)
Distribuzione in AT (50-150 kV) o MT
Utilizzazione in MT o BT
CENTRALI DI PRODUZIONE DELL’ENERGIA ELETTRICA
•
IDROELETTRICHE•
TERMOELETTRICHE
•
TERMONUCLEARI•
GEOTERMOELETTRICHE
•
EOLICHE•
SOLARI
Generazione
–
E’
necessaria una conversione dell’energia•
Si utilizza una turbina (esclusione dell’energia solare) sul cui albero è
calettato un generatore sincrono, detto alternatore, che genera potenza elettrica in regime sinusoidale e trifase La tensione concatenata è
dell’ordine delle decine di
kV
•
Il regolatore agisce sia sulla turbina, sia sull’alternatore per mantenere ai morsetti del generatore la tensione e la frequenza voluta, nonché
la potenza necessaria.
•
In genere i gruppi generatori sono del tipo monoblocco: turbina- generatore sincrono-trasformatore
elevatore.
•
Ciascuna centrale comprende quasi sempre due o più
gruppi eserciti in parallelo sulle sbarre di alta tensione (AT).
Misure localiRegolatore Comandi remoti
Vapore, gas , acqua
CENTRALI IDROELETTRICHE
TURBINA RISORSA CARATTERISTICA
Kaplan Acqua fluente Bassa velocità(p elevato)
Francis Bacino idroelettrico (bassa caduta)
Media velocità
Pelton Bacino idroelettrico(alta caduta)
Alta velocità(p=1,2)
Reti di Trasmissione•
La trasmissione della potenza avviene quasi sempre con un sistema trifase.
–
A valle dei generatori è
posta una cabina di trasformazione che eleva il livello di tensione concatenata a 220
kV o 380
kV (esigenze
tecniche legate alla necessità
di trasferire potenze elevate con correnti limitate, e di economicità
di gestione).
–
Le linee di trasmissione sono in Alta Tensione (AT): possono essere del tipo aereo
o, più
raramente, in cavo.
–
Effettuano la trasmissione su lunghe distanze (100-1000 km).
–
La rete di trasmissione è
una rete magliata, alimentata da molti generatori, in modo che sia possibile garantire comunque l’alimentazione anche in caso di guasto di un generatore o di una linea.
–
I lati della rete sono le linee di AT. I nodi sono le stazioni primarie.
Reti di Subtrasmissione
–
Ricevono l’energia dai nodi della rete di trasmissione generalmente attraverso degli autotrasformatori.
–
Sono esercite a varie tensioni normalizzate inferiori a 220 kV.
–
La rete è
di tipo
magliato
(può essere anche radiale).
–
L’estensione può essere a livello regionale, provinciale o anche comunale nei grandi centri (10-100 km)
–
La potenza trasportata: 10-100 MW.
Reti di Distribuzione a MT–
Originano dalle stazioni AT/MT e alimentano le reti di distribuzione a bassa tensione (BT), tramite numerose cabine MT/BT.
–
Le tensioni di esercizio sono comprese fra i 6 kV
e i 35 kV.
–
La configurazione varia in relazione alla densità
di carico:•
Schemi radiali
•
Configurazioni ad anello •
Configurazioni magliate
ad esercizio radiale
–
Il raggio d’azione dipende dalle densità
di carico: •
1-3 km nelle città
importanti;
•
massimo di 50 km in zone rurali e poco popolate.
–
La potenza trasportata: 0.1-10 MW.
Reti di Distribuzione a BT
–
Realizzano l’ultima fase della distribuzione fino alla consegna a piccole utenze.
–
Tensioni normalizzate a 230 V /400 V.
–
Le reti BT sono alimentate da cabine MT/BT non presidiate.
–
Raggio d’
azione: 100 m (reti urbane radiali in cavo) / 1 km (linee rurali a 400 V)
–
Configurazioni: ad albero / magliate
(in grandi centri urbani)
Strutture di reti•
Strutture aperte
- reti radiali (ad albero)
- reti dorsali
- reti dorsali/radiali
Strutture di retiStrutture chiuse
- reti ad anello- reti magliate (a più anelli)
Linee elettriche: linee aeree
Conduttore nudo
Linee elettriche: linee in cavo
Le linee in cavo sono impiegate nelle linee di trasmissione e negli impianti inmedia e bassa tensione; possono essere in posa sotterranea o sottomarina,principalmente, od anche aerea.I cavi sono realizzati con:
•
uno o più
conduttori, che servono per il trasferimento dell'energia;•
un isolante solido, che circonda il conduttore e che garantisce
l’isolamento;
•
una guaina di protezione.Possono, poi, essere presenti una armatura di protezione meccanica e opportunischermi costituiti da materiale semiconduttore o metallico, necessari ad uniformare il campo elettrico all’interno del materiale isolante
Utilizzazione•
Pochi utilizzatori in AT
•
Più
comuni sono gli utilizzatori direttamente alimentati in MT
•
Le linee a MT fanno capo a cabine di trasformazione da cui partono le linee di utilizzazione in bassa tensione (BT):
–
Linee trifase a 4 conduttori (con neutro) e con tensione concatenata pari a 400 V
–
Gli utilizzatori in BT si possono suddividere in:•
Trifasi: per potenze relativamente elevate (decine di kVA), alimentati con tensione concatenata di
400
V
•
Monofasi: per potenze modeste, alimentati tra fase e neutro alla tensione stellata di
230 V
Sovratensioni longitudinali: anormali aumenti della differenza di potenziale fra due punti fisicamente vicini di uno stesso conduttore (esempio: tra le spire di un avvolgimento).
Sovratensioni trasversali: anormali aumenti del potenziale degli elementi di un circuito rispetto alla terra o fra conduttori di fasi diversa del sistema.
SOVRATENSIONI
SOVRATENSIONI
•
CAUSE INTERNE–
Manovre sugli impianti (apertura o chiusura di interruttori)
–
Improvvisa riduzione del carico–
Risonanze
–
Contatti accidentali con altro impianto in esercizio a tensione maggiore
•
CAUSE ESTERNE–
Fenomeni di origine atmosferica (fulminazione diretta o indiretta)
0.1 IM
0.5 IM
0.9 IMIM
Tf Tetime [s]
i(t) fe TtTtIti expexp0
I0
= 10-200 kA
Tf
= 0.5 –
1.5 s
Te
= 50-100 s
Il fulmineIl fulmine
leader Return stroke
FULMINE DISCENDENTE (polarità
negativa)
FULMINE ASCENDENTE(polarità
negativa)
leaderReturn stroke
Negative (descending) PositiveFirst stroke Following strokes (ascending)
IM [kA] 34 13.4 43Tf [s] 8.5 1.2 33Te [s] 73 31 300
(di/dt)M [kA/s] 14 39 2.6
IIMM
: corrente di picco
((di/dt)di/dt)MM
:
tangente massima
TTff
: tempo di salita
all’emivalore
TTee
: tempo
feM TtTtII ˆexpˆexp0
lnˆ 1t
0Iadtdi
M
SOVRACORRENTI
•
SOVRACCARIC0–
Superamento dei valori di corrente per i quali una linea o un’apparecchiatura sono dimensionate (In) (e.g. Spunto dei motori asincroni in fase di avviamento)
•
CORTO CIRCUITO–
Contatto tra due elementi dell’impiantonon
equipotenziali. Le correnti di cto
cto
possono essere molto elevate in quanto limitate solo dall’impedenza a monte del guasto.
SOVRACCARIC0Principale effetto:-
Aumento della temperatura delle parti attive rispetto alle condizioni normali di funzionamento
E’
importante:1) valutare la sovratemperatura finale del circuito (e.g.
cavo) in funzione del sovraccarico (regime)2) valutare il tempo che il circuito impiega a raggiungere la
sovratemperatura finale (transitorio)
CORTO CIRCUITO
Principali effetti:-Sollecitazione termica (riscaldamento adiabatico)-Sollecitazione meccaniche (sforzi elettrodinamici)
L’entità
della corrente è
diversa in funzione del tipo di guasto:- Trifase- Monofase (fase-fase, fase-neutro)
Corrente di corto circuito massima (guasto trifase a inizio linea)Corrente di corto circuito minima (guasto monofase a fine linea)
APPARECCHI DI MANOVRA E INTERRUZIONE
•
INTERRUTTORI
–
Manuali
–
Automatici
Apertura e chiusura di una linea sottocarico anche in condizioni di corto circuito
x
x
PARAMETRI CARATTERISTICI
•
TENSIONE NOMINALE DI ESERCIZIO (Ve): tensione alla quale sono riferite le prestazioni
dell’apparecchio (apertura/chiusura)
•
TENSIONE NOMINALE DI ISOLAMENTO (Vi): tensione alla quale è
garantito l’isolamento
dell’apparecchio
•
CORRENTE NOMINALE (In):
corrente che l’interruttore può condurre a regime. Assume valori diversi con riferimento a servizio continuo o discontinuo.
•
POTERE NOMINALE DI INTERRUZIONE (Iin): corrente di corto circuito che l’interruttore può
interrompere ad una tensione superiore non oltre il 10% di Ve.
•
POTERE NOMINALE DI CHIUSURA SU CORTO CIRCUITO (Icn):
corrente di corto circuito sulla
quale l’interruttore può essere chiuso ad una tensione superiore non oltre il 10% di Ve.
•
CONTATTORI
–
Manuali
–
Automatici
Interruzione delle sole correnti di normale esercizio
•
SEZIONATORI
–
Manuali
–
Automatici
Interruzione della continuità
elettrica in linee a vuoto (I=0)
N.B. Nella fase di interruzione del circuito si apre prima l’interruttore e poi il sezionatore.
SEZIONATORE
Sezionatore in MT con lame a coltelli
•
FUSIBILIDispositivo di protezione dalle sovracorrenti: interrompe correnti di corto circuito elevate.
T [s]
I [A]
Zona di intervento
Campo di integrità
In
Inf
If
Icc
In
: corrente nominale
Inf
: corrente massima di sicura non fusione
If
: corrente minima di sicura fusione
Icc
: corrente di corto circuito
PROTEZIONE DA SOVRATENSIONI
Protezione
preventiva
(non impedisce
le sovratensioni):
• Schermatura
con funi
di
guardia
(per fulminazione)
• Principio di
coordinamento
degli
isolamenti:Proporzionamento
dell’isolamento sul confronto fra capacità
di tenuta dei
vari elementi e sollecitazioni cui è
sottoposto il dielettrico.
(non economicamente vantaggioso per cause esterne)
Protezione
repressiva
(limita
le sovratensioni):
•
Dispositivi
di
protezione
(SPD: surge protection devices)
DISPOSITIVI DI PROTEZIONE DA SOVRATENSIONI
Caratterististica
tensione-corrente
non lineare:•
alta
impedenza
rispetto
a terra durante
le
condizioni
normali
di
funzionamento•
corto
circuito
a terra in presenza
di
una
sovratensione
v(t)
v(t)
Condizione normale di funzionamento:
Circuito aperto –
impedenza molto elevata
In presenza di sovratensione:
Corto circuito –
impedenza molto bassa
v(t)
Scaricatori a gas(Migliore
controllo
della
tensione
di
intervento)
Diodi soppressori
Varistori ad ossido di metallo
•
Tensione
quasi costante
sul carico
in presenza
della
sovratensione
•
Non possono
condurre correnti
elevate
•
Tensione
costante
sul
carico in presenza
della
sovratensione
SpinterometriScaricatori ad asta •
Alta capacità
di
assorbimento
dell’energia
della
sovratensione
•
Tensione
che
decresce rapidamente
dopo
l’intervento
Spinterometri in ariaLo spinterometro
è
costituito
da
due elettrodi
metallici
separati
da
un certo
intervallo
di
aria e collegati
in derivazione
fra
conduttore
e terra.
Presenta un’impedenza elevata in assenza di sovratensione
(assenza di corrente di fuga alla tensione di esercizio). Quando avviene l’innesco riduce rapidamente a pochi volt la tensione ai capi.
Il valore della tensione di innesco non è
sempre costante perché dipende dalle condizioni di pressione, umidità
e presenza di impurità
nell’aria.
Robusto, semplice e poco costoso.
Una volta adescato, non è
generalmente in grado di interrompere la corrente (conseguenze mitigate dall’
installazione di interruttori a
richiusura automatica).
Spinterometro a gas(Migliore
controllo
della
tensione
di
intervento)
Costituiti da due o più
elettrodi metallici ermeticamente chiusi all’interno di un contenitore pieno di gas:
Negli spinterometri in gas la tensione d’innesco risulta generalmente più
costante perché
la scarica avviene in un
involucro protetto rispetto l’ambiente. Si riduce però, rispetto ad uno spinterometro in aria, la capacità
di scarica perché
diventa più
problematico smaltire
il calore prodotto dall’arco.
Le caratteristiche
diverse di
gas arresters, gas arresters, varistorivaristori e e diodidiodi
soppressorisoppressori
possono
essere
combinatecombinate
nella
realizzazione
di
circuiticircuiti
didi
protezioneprotezione
multistadiomultistadio
P6TUC 230
~v2
v1
~v1
V3v2
v3~
50
CAP 1101k CAP 1
15 V
10
50 Vv1 v3
0
500
1000
1500
2000
2500
0.01 0.1 1 10 100 1000
[V]
time [s]
Sovratensione transitoriaSovratensione transitoria
Tf
= 1 s Te
= 50 s VM
= 2.1 kV
100 ns/div
100 V/div
5 V/div
100 ns/div
tensione misurata tensione misurata sul primo stadiosul primo stadio
tensione misurata tensione misurata sul terzo stadiosul terzo stadio
vv11
vv33
Interruttori automatici•
Si costituiscono di 4 componenti fondamentali:–
Contatti Fissi e mobili; principali e d’arco
–
Camere di interruzioneFacilitano il rapido spegnimento dell’arcoRendono difficile il riadescamento
–
ComandoElementi cinematici che trasformano l’energia ad essi applicata in movimento degli elettrodi
–
Sganciatori
(Relè)Dispositivi meccanici che liberano gli organi di ritegno e consentono l’apertura dell’interruttore
Problema dell’Arco Elettrico:
All'apertura
di
un contatto
il
campo elettrico
presente
può
superare
il
valore
di
rigidità dielettrica
del mezzo in cui i contatti
sono
immersi. Si può
innescare
un arco
voltaico
che
si può
mantenere
anche
ad un successivo
aumento
della
distanza
tra
i contatti. Per effetto
dell'arco
il
flusso
di
corrente
non viene
interrotto: -
viene
a mancare
lo scopo
dell'interruttore;- la temperatura
del plasma causa
il
danneggiamento
del dispositivo.
=>importanza
di
una
rapida
estinzione
dell'arco.
soffiatura pneumatica
soffiatura magnetica
RELE’
•
CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLA GRANDEZZA ALLA QUALE SONO SENSIBILI:–
Voltmetrici
–
Amperometrici–
Wattmetrici
–
Frequenzimetrici–
Ad impedenza
–
Termici–
Tachimetrici
•
CLASSIFICAZIONE IN BASE AL PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO:–
Elettromagnetici
–
Elettrodinamici–
Ad induzione
•
CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLA GRANDEZZA DA ANALIZZARE:–
Di massima
–
Di minima–
Differenziale
Esempio schematico di relè
termico a lamine bimetalliche
Esempio schematico di relè
elettromagnetico
RELE’ MAGNETICOTempo
CorrenteIs
= 8-10 In
Tin
Caratteristica di intervento
RELE’ TERMICOTempo
CorrenteI 5 sec
= 4 In
5 sec
Caratteristica di intervento
RELE’ MAGNETO-TERMICO
Tempo
CorrenteIs
= 8-10 In
Tin
Caratteristica di intervento
OSSERVAZIONE:
I relè
magnetico, termico, magnetotermico intervengono SEMPRE per corrente SUPERIORE alla
corrente nominale dell’impianto (da 4 ad 8-10 volte).
Ad esempio, in un’utenza domestica con corrente nominale di 15 A, la corrente di intervento non è
inferiore a 60 A.
La corrente pericolosa per l’uomo è
di 50 mA
!
RELE’ DIFFERENZIALECorrente di intervento molto minore alla corrente nominale dell’impianto:
IMPIANTI INDUSTRIALI: I
= 300 mA
UTENZE DOMESTICHE: I
= 30 ma
UTENZE PARTICOLARI: I
= 10 ma
SISTEMA DI UTILIZZAZIONE IN BT: stato nel neutro
•
Sistema IT•
Sistema TT
•
Sistema TN
BTMT/BT
Utenze monofasi o trifasi
1°
lettera:
stato del neutro del secondario del trasformatore MT/BT
2°
lettera:
stato delle masse delle utenze
IMPIANTI DI TERRA•
Norma CEI 64-8
•
Norma CEI 11-8•
Norma CEI 81-1
SCOPO DELL’IMPIANTO DI TERRA:
1)
Offrire una via di ritorno alle correnti di guasto diversa da quella offerta dal corpo umano
2)
Determinare l’intervento delle protezioni in tempi opportuni
3)
Rendere equipotenziali strutture metalliche suscettibili di essere toccate contemporaneamente.
COMPONENTI DI UN IMPIANTO DI TERRA
Conduttori equipotenzialiConduttore di protezione
Conduttori di terra
dispersori
Tensione di passoTensione che può risultare applicata tra i piedi di una
persona a distanza di un passo durante (1 m) un cedimento dell’isolamento
Tempo eliminazione del guasto [s] Tensione massima di passo [V]> 2 50
1 70
0.8 80
0.7 85
0.6 125
< 0.5 160
CENNI DI IMPIANTI ELETTRICISistema elettricoSlide Number 3Slide Number 4CLASSIFICAZIONE DEGLI IMPIANTI ELETTRICISCHEMA DI IMPIANTO ELETTRICOCENTRALI DI PRODUZIONE DELL’ENERGIA ELETTRICAGenerazioneCENTRALI IDROELETTRICHEReti di TrasmissioneReti di SubtrasmissioneReti di Distribuzione a MTReti di Distribuzione a BTStrutture di reti Strutture di reti Slide Number 16Slide Number 17Utilizzazione Slide Number 19SOVRATENSIONISlide Number 21Slide Number 22Slide Number 23Slide Number 24SOVRACORRENTISOVRACCARIC0CORTO CIRCUITOAPPARECCHI DI MANOVRA E INTERRUZIONEPARAMETRI CARATTERISTICISlide Number 30Slide Number 31Slide Number 32Slide Number 33Slide Number 34PROTEZIONE DA SOVRATENSIONIDISPOSITIVI DI PROTEZIONE DA SOVRATENSIONISlide Number 37Slide Number 38Slide Number 39Slide Number 40Slide Number 41Slide Number 42Slide Number 43Interruttori automaticiSlide Number 45RELE’Slide Number 47Slide Number 48RELE’ MAGNETICORELE’ TERMICORELE’ MAGNETO-TERMICOSlide Number 52RELE’ DIFFERENZIALESISTEMA DI UTILIZZAZIONE IN BT: stato nel neutroIMPIANTI DI TERRACOMPONENTI DI UN IMPIANTO DI TERRATensione di passo