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