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.
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Linee aereeLinee aeree
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Linee aereeLinee aeree
reti elettriche - linee 5
Linee aereeLinee aeree
Sud Africa
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Linee aereeLinee aeree
svezia
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Linee aereeLinee aeree
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Linee aereeLinee aeree
olanda
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Linee aereeLinee aeree
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Linee aereeLinee aeree
california
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Linee aereeLinee aeree
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Linee aereeLinee aeree
UK
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Linee aereeLinee aeree
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Linee aereeLinee aeree
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Linee aereeLinee aeree
indonesia
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Linee aereeLinee aeree
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Linee aereeLinee aeree
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Linee aereeLinee aeree
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Linee aereeLinee aeree
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Linee aereeLinee aeree
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Linee aereeLinee aeree
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Linee aereeLinee aeree
canada
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Linee aereeLinee aeree
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Linee aereeLinee aeree
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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
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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Linee aeree e fulminazioneLinee aeree e fulminazione
fulminazione indiretta
fulminazione diretta
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Linee aeree e fulminazioneLinee aeree e fulminazioneFulminazione indiretta in prossimità di una linea in alta tensione
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Linee aeree e fulminazioneLinee aeree e fulminazione
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Linee aeree e fulminazioneLinee aeree e fulminazioneFulminazione diretta in una linea in bassa tensione
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Linee aeree e fulminazioneLinee aeree e fulminazione
Fulminazione diretta in linee aeree in bassa tensione
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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
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Cavo per alta tensione in olioCavo per alta tensione in olio
condotto olio
conduttoreisolante
schermiisolante esterno (cintura)
armatura metallica
guaina esterna
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CAVO PER MT TRIPOLARECAVO PER MT TRIPOLARE
conduttoresettoriale
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CAVO PER BT TRIPOLARECAVO PER BT TRIPOLARE
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- 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
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ss ttrr
V
Id
PHE
H = f( I,1/d) E = g(V,1/d)
Modelli elettrici delle lineeModelli elettrici delle linee
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Modelli elettrici delle lineeModelli elettrici delle linee
- 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
reti elettriche - linee 45
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
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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.
reti elettriche - linee 47
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
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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.
reti elettriche - linee 49
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.
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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
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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
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Costi Costi - Costi delle linee per unità di potenza.