Reti elettriche: teoria e applicazioni. Linee. Paolo Pelacchi

Reti elettriche: teoria e Reti elettriche: teoria e applicazioni.applicazioni.

Linee.Linee.

Paolo PelacchiPaolo Pelacchi

reti elettriche - linee 2

LineeLinee- Le linee per il trasporto e la distribuzione dell’energia

elettrica costituiscono un elemento piuttosto complesso e devono essere analizzate con riferimento ai seguenti aspetti:

1. Comportamento meccanico ed elettromeccanico.

2. Comportamento termico.

3. Comportamento elettrico.

- Mentre il 2° ed il 3° aspetto devono essere tenuti in conto, in generale, per ogni tipologia di linea, il 1° è caratteristico delle linee aeree, siano esse a conduttore nudo o isolato.


Linee aereeLinee aeree



Sud Africa



svezia



olanda



california



UK



indonesia



canada


Linee aeree: problemi meccaniciLinee aeree: problemi meccanici

- Per quanto riguarda le sollecitazioni di tipo meccanico esse sono dovute essenzialmente alle modalità di montaggio della linea (tiro in EDS) ed alle condizioni ambientali.

- Il progetto meccanico delle linee aeree viene effettuato generalmente considerando le seguenti condizioni di carico:

- Condizione EDS

- Presenza di sovraccarichi di ghiaccio e di vento

- Rotture di conduttori


Linee aeree: problemi termiciLinee aeree: problemi termici

- Per quanto riguarda i fenomeni termici associati al funzionamento in condizioni normali o di sovraccarico deve essere osservato che:

- La temperatura del conduttore dipende non solo dalla corrente che lo attraversa ma anche dalle condizioni meteo (temperatura dell’aria, vento, insolazione).

- Il riscaldamento eccessivo produce una ricottura che influisce sulla durata del conduttore.

- Il riscaldamento provoca un aumento di franco (cfr. black out italiano) che può risultare critico in alcune campate.


Linee aeree: problemi elettromeccaniciLinee aeree: problemi elettromeccanici- Il problema elettromeccanico delle linee aeree è

essenzialmente dovuto alle correnti di guasto.

- Le sollecitazioni elettrodinamiche vengono prodotte dalle correnti di cto. cto. derivanti da guasti polifase, sia con neutro a terra sia con neutro isolato (linee MT).

- Da tale fenomeno possono essere escluse le linee in c.c. in quanto i relativi sistemi di trasmissione funzionano a corrente impressa (e quindi costante).

- Alle sollecitazioni elettrodinamiche sono associate anche sollecitazioni termiche (effetto joule).


Linee aeree: problemi elettromeccaniciLinee aeree: problemi elettromeccanici- La forza applicata per unità di lunghezza a due conduttori

paralleli percorsi entrambi da una corrente I è:

dIF

2

20

- La massima corrente di cto. cto. di una rete MT è di 12.5 kA; se il conduttore è leggero possono sorgere problemi.

- Ulteriori problemi dovuti ad aumento momentaneo dei franchi ed a possibili intrecci.


Linee aeree e fulminazioneLinee aeree e fulminazione- Il fenomeno della fulminazione interessa solamente le

linee elettriche aeree.

- La fulminazione può essere:

- Diretta, quando il fulmine colpisce direttamente un conduttore o una fune di guardia

- Indiretta, quando il fulmine cade nelle vicinanze della linea

- La probabilità di avere una fulminazione diretta è più bassa dell’altra, ma le sovratensioni associate al fenomeno sono più rilevanti.


Linee aeree e fulminazioneLinee aeree e fulminazione

- Il sistema di protezione tipicamente utilizzato è rappresentato dalle funi di guardia; queste hanno però efficacia praticamente solo per linee con tensioni nominali superiori a 400 kV.

- In pratica per tensioni inferiori a 100 kV le funi di guardia non garantiscono alcuna protezione.

- In Italia le linee in MT (10 – 20 kV) non hanno la fune di guardia.



fulminazione indiretta

fulminazione diretta


Linee aeree e fulminazioneLinee aeree e fulminazioneFulminazione indiretta in prossimità di una linea in alta tensione


Linee aeree e fulminazioneLinee aeree e fulminazioneFulminazione diretta in una linea in bassa tensione



Fulminazione diretta in linee aeree in bassa tensione


HVDC cables

Linee in cavoLinee in cavo

Lunghezza della connessione in cavo8.3 kmLunghezza totale di cavo 50 km circaLunghezza delle singole pezzaturefino a 800 mPortata nominale per cavo (continuativa) 1600 A

Conduttore Milliken 2000 mm2Isolante XLPEGuaina metallica Alluminio saldato

Turbigo - Rho 400 kVTurbigo - Rho 400 kV

Turbigo - Rho 400 kVTurbigo - Rho 400 kV


Cavo per alta tensione in olioCavo per alta tensione in olio

condotto olio

conduttoreisolante

schermiisolante esterno (cintura)

armatura metallica

guaina esterna


CAVO PER MT TRIPOLARECAVO PER MT TRIPOLARE

conduttoresettoriale


CAVO PER BT TRIPOLARECAVO PER BT TRIPOLARE


- Le linee elettriche (aeree o in cavo) sono elementi nei quali una delle dimensioni (lunghezza) può raggiungere valori dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d’onda dei segnali che vi circolano (a 50 Hz circa 6000 km).

- Per tale motivo questo componente non può essere descritto con modelli elettrici a parametri concentrati; si devono quindi sviluppare modelli che tengano conto di questa realtà: modelli a parametri distribuiti.

- Anche il calcolo delle cosiddette “costanti” delle linee viene effettuato tenendo conto di tale realtà.

Modelli elettrici delle lineeModelli elettrici delle linee


ss ttrr

V

QQ

Id

PHE

H = f( I,1/d) E = g(V,1/d)




- Le espressioni sotto riportate ipotizzano che il due campi (elettrico e magnetico) agiscano in maniera indipendente.

dtic

v

dtiqdtdqi

cqvvcq

c

cc

1

dtdil

dtdv

ili

l

lconl

lconl

con


Modelli elettrici delle lineeModelli elettrici delle linee- In definitiva, tenendo conto delle ipotesi prima fatte e

delle leggi dei campi elettrico e magnetico è possibile dimostrare che valgono le seguenti espressioni (valide per unità di lunghezza)

eqrDjRljRz ln2

4'''' 0

eqrD

jcjyln

2'' 0

3323121 DDDD n

n

eq rnr1

2


0

0,2

0,4

0,8

1

380kV

132kV

20 kV

R’/X’

Modelli elettrici delle lineeModelli elettrici delle linee- L’induttanza longitudinale aumenta all’aumentare della

distanza tra le fasi e diminuisce all’aumentare del raggio equivalente.

- La capacità trasversale aumenta al diminuire della distanza tra le fasi e diminuisce al diminuire del raggio equivalente.


0100200300

Zc500600

380kV

132kV

20 kV

Modelli elettrici delle lineeModelli elettrici delle linee- Impedenze caratteristiche tipiche delle linee italiane

0

2

ZUP n

car

- La potenza caratteristica è definita dalla seguente espressione

Potenze caratteristichePcar-400 = 640 MW

Pcar-220 = 130 MW

Pcar-132 = 45 MW


Considerazioni su linee Considerazioni su linee aeree/cavoaeree/cavo

- Valori tipici delle capacità per unità di lunghezza delle linee sono i seguenti:

- c’aerea = 13 nF/km per linee aeree (400 kV)- c’cavo = 250 nF/km per linee in cavo XLPE (400 kV)

- La potenza reattiva prodotta dalle linee risulta quindi pari a:

- Qaerea = 0.7 MVAR/km per linee aeree (400 kV)- Qcavo = 10 12 MVAR/km per linee in cavo XLPE (400

kV)- La potenza reattiva prodotta dalla linea riduce la portata

della linea stessa.


Considerazioni su linee Considerazioni su linee aeree/cavoaeree/cavo

- In pratica, a seconda della tecnologia utilizzata, dopo poche decine di km la potenza reattiva prodotta da una linea in cavo eguaglia la portata del cavo, cioè la portata del cavo è saturata dalla potenza reattiva da lui stesso prodotta.

- Occorre quindi procedere a tecniche di compensazione (reattanze shunt).

- In pratica, per una linea mista aerea-cavo, non si possono superare 20 km in assenza di compensazione.


Linee aeree: aumento della capacità di Linee aeree: aumento della capacità di trasportotrasporto

- Lo sviluppo della richiesta di energia nel tempo comporta la necessità di aumentare la capacità di trasporto.

- I limiti alla capacità di trasporto sono imposti dai fenomeni di ricottura dei conduttori e dalla diminuzione dei franchi verso terra delle fasi.

- L’aumento della capacità di trasporto può essere ottenuta tramite:

- Impiego di sistemi di monitoraggio in tempo reale del comportamento della linea al variare della potenza trasportata

- Sostituzione del conduttore esistente con uno che possa trasportare una maggiore quantità di corrente


Nuove tipologie di conduttori per linee Nuove tipologie di conduttori per linee aereeaeree

- L’aumento della capacità di trasporto dei conduttori può essere ottenuto attraverso:

- Aumento della sezione utile (a parità di diametro)

- Miglioramento della dissipazione del calore

- Aumento della temperatura di esercizio

- Soluzioni costruttive che soddisfino tali requisiti sono:

- Uso di conduttori compatti

- Uso di conduttori verniciati

- Uso di conduttori per alta temperatura


Costi Costi - Costi delle linee per unità di potenza.

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