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La compensazione del reattivo nelle linee in cavo AT per le connessioni delle fonti

rinnovabiliF. Palone, M. Rebolini

Firenze, 12 Aprile 2013

Direzione Ingegneria | Sviluppo Tecnologie – Ingegneria Stazioni

Sommario:

1. Introduzione

2. Caratteristiche delle linee in cavo AT TERNA

3. Capability reattiva degli impianti a fonti rinnovabili

4. Requisiti del codice di rete sulla potenza reattiva

5. Scelta del grado di compensazione

6. Comportamento a regime permanente

7. Comportamento in transitorio

8. Conclusioni


IntroduzioneLe linee elettriche in cavo in c.a. AT sono caratterizzate da un surplus di

potenza reattiva in ogni situazione di carico, in quanto la potenza

caratteristica è sempre superiore alla potenza al limite termico.

Il costo di un elettrodotto in AT è diverse volte superiore a quello di una

linea aerea di identica portata.

Tuttavia le difficoltà autorizzative e le problematiche ambientali hanno

recentemente portato alla realizzazione di diverse linee AT di lunghezza

rilevante (>15 km) per la connessione alla RTN di impianti da fonte

rinnovabile.


Caratteristiche delle linee in cavo AT TERNA

Il cavo standard per la rete a 132 kV e 150 kV TERNA è isolato in XLPE ed

ha un conduttore di fase in Alluminio da 1600 mm2. L’uso dello stesso tipo

di cavo per la connessione di impianti anche di taglia media consente di

tenere conto degli sviluppi futuri della rete.


Per ridurre campi magnetici e impiego di suolo

si adotta (in genere) la posa a trifoglio.

Portata 1000 A – 260 MVACapacità nominale 270 nF/kmReattanza di servizio 0.11 Ω/kmPotenza reattiva generata 2.45 Mvar/kmDiametro esterno 10 cm



Il surplus di potenza reattiva tende a caricare la linea in cavo, riducendo la

componente attiva di corrente che è possibile trasmettere. La

compensazione alle estremità (necessaria per il rispetto di vincoli verso la

rete), non modifica la massima potenza attiva trasmissibile.

F.M. Gatta, A. Geri, S. Lauria, M. Maccioni, “Steady-stateoperating conditions of very long EHVAC cable lines”, EuropeanPower Systems Research Volume 83, Issue 1, February 2012



Su una linea omogenea, il massimo trasferimento di potenza attiva (e la

minimizzazione delle perdite) si ha quando le tensioni terminali sono tali

da garantire un profilo reattivo simmetrico, indipendentemente dalla

compensazione della linea.

Per linee ideali (senza perdite), ciò corrisponde ad imporre tensioni di

uguale ampiezza ai terminali di arrivo e partenza della linea. Per linee reali

(con perdite), le tensioni ottime sono diverse tra loro in modulo.

Capability reattiva degli impianti a fonti rinnovabili


La capability degli impianti a fonte rinnovabile (in particolare per l’eolico) è

ridotta rispetto a quella delle centrali convenzionali, soprattutto quando

sono impiegati generatori del tipo a doppio indotto. La gestione del

surplus reattivo della linea in cavo diventa quindi un problema rilevante.

H. Guo, K. Rudion, C. Heyde, Z. A. Styczynski “Stability Studies of Offshore Wind Farms”Fifth Internation CRIS conference on Critical Infrastructures, Bejing 2010

Requisiti del codice di rete sulla potenza reattiva


Per l’eolico vale l’allegato A17 (Sistemi di controllo e protezione dellecentrali eoliche) :

“[…] Il fattore di potenza può essere mantenuto fisso ad un valore scelto inaccordo tra il Gestore ed il Titolare. Di norma è richiesto di garantire, sul punto diconnessione della centrale con la rete, il fattore di potenza pari a 1.”

Per il fotovoltaico vale l’allegato A68 (Impianti di produzione fotovoltaicarequisiti minimi per la connessione e l’esercizio in parallelo con la reteAT):

“[…]L’Utente dovrà inoltre aver cura di verificare, già in fase di progettazione,che non vi siano scambi di potenza reattiva con la rete ad impianto fermo.Qualora non si verificasse ciò, la Centrale dovrà essere dotata di idonei apparatidi compensazione necessari a garantire uno scambio di potenza reattiva nelpunto di consegna con fattore di potenza pari a 1.”

Scelta del grado di compensazione


Il grado di compensazione q è convenzionalmente definito come il rapportotra la reattanza capacitiva trasversale della linea della linea e la reattanza dicompensazione in derivazione

Il grado di compensazione deve essere scelto in modo da soddisfare iseguenti vincoli di esercizio:

1) corrente di interruzione nominale di cavi a vuoto dell’interruttore di linea;2) massima sovratensione all’estremo ricevente;3) massima sovratensione all’estremo trasmittente;4) massimo scambio di potenza reattiva con la rete;

I vincoli da 1), 2) e 3) derivano da limiti delle apparecchiature, mentre ilvincolo 4) è legato alle esigenze di esercizio della rete.


StazioneRTN

Produttore

L’apertura di correnti capacitive è un compito impegnativo per gliinterruttori di alta tensione, per via delle tensioni di ritorno e dellapossibilità di riadescamento. I valori della corrente d’interruzionenominale di cavi a vuoto sono contenuti nella norma CEI EN 62271-100.


Per il ridurre la corrente capacitiva di aperturasull’interruttore di linea è necessario installarela compensazione lato linea e non lato sbarra.


Le condizioni in cui va verificato il vincolo sulla corrente capacitiva sono:

a) apertura della linea a vuoto, alla tensione massima di esercizio;b) apertura delle fasi sane della linea dopo un guasto monofase a terra.

La condizione b) è, in genere, la più stringente dato che le fasi sane sonosoggette ad una sovratensione temporanea proporzionale al fattore diguasto a terra k1.

La massima lunghezza LMax per cui una linea in cavo può essere esercitasenza compensazione installata lato linea è stimabile come:



Scelta del grado di compensazionePer un dato tipo di linea, ad esempio l’unificato TERNA a 150 kV, il minimogrado di compensazione necessario al rispetto del vincolo sulla correntecapacitiva di apertura della linea a vuoto varia in funzione della lunghezzae del fattore di guasto a terra (sempre inferiore a 1,4 nella RTN).


Comportamento a regime permanentePer una linea reale (con perdite), la condizione di sfruttamento ottimo noncoincide più con quella di tensioni di uguale ampiezza ai terminali dellalinea.La caduta di tensione resistiva deve essere compensata per garantire unprofilo reattivo della potenza reattiva. La differenza di tensione ottima∆USR,opt è calcolabile con buona approssimazione come:

Dove R è la resistenza di servizio della linea elettrica e P la potenza attivatransitante. Per linee “corte” il problema non è molto rilevante, ma perlinee lunghe e con basso rapporto X/R (es. tripolari) il transito di potenzaattiva influenza pesantemente il profilo di tensione e potenza reattiva.

)(, PR

optSR UU

PRU

F.M. Gatta, A. Geri, S. Lauria, M. Maccioni, “Steady-state operating conditions of very longEHVAC cable lines”, European Power Systems Research Volume 83, Issue 1, February 2012


Comportamento a regime permanenteConsideriamo a titolo di esempio una lunga linea in cavo a 230 kV incorrente alternata (collegamento Italia – Malta, 120 km - 220 MW).

∆USR=0

G.M. Giannuzzi, F. Palone, M. Rebolini, J. Vassallo, R. Zaottini “The Malta-Sicily EHV-AC interconnector”, MEDPOWER 2012 Conference

∆USR,Opt

∆P=60 MW


Comportamento in transitorio L’inserimento di reattanze di compensazione in derivazione modificasostanzialmente il comportamento in transitorio della linea.In particolare vanno verificati i seguenti aspetti:

a) Risonanze armonicheb) Mancato passaggio per lo zero della correntec) Battimenti nella TRV

L’entità dei fenomeni in gioco deve essere confrontata con i valori didimensionamento del macchinario e delle apparecchiature.

Soprattutto per linee lunghe, o inserite in una porzione di rete in cui sianogià presenti cavi, vanno verificate le massime sollecitazioni cui sonosoggetti i componenti (TOV, sovratensioni di manovra, TRV ecc..).


Comportamento in transitorio Risonanze armoniche:La presenza di capacità “concentrate” in un solo nodo della rete puògenerare risonanze armoniche a frequenze relativamente basse.

In presenza di sorgenti armoniche, come ad esempio i reattori stessi dicompensazione e gli inverter per la connessione delle fonti rinnovabili,può quindi portare alla presenza di correnti e tensioni armonichepersistenti.

2,000 2,004 2,008 2,012 2,016 2,020[s]-100

-75

-50

-25

0

25

50

75

100[A]

c

ccr Q

SHzf 50


Comportamento in transitorio Mancato passaggio per lo zero della corrente:

Per elevati gradi di compensazione, all’energizzazione della linea puòverificarsi il mancato passaggio per lo zero della corrente, per via dellacomponente unidirezionale della corrente di inrush dei reattori.

Infatti, le componenti a 50 Hz delle correnti richiamate dalla capacità dilinea (Ic) e dal reattore (IR) tendono ad annullarsi, mentre la rimanentecomponente unidirezionale I0 viene richiamata dalla rete.

3,5 3,6 3,7 3,8 3,9 4,0[Ms]-1000

-750

-500

-250

0

250

500

750

1000[A]

Ic

I0

IR


Comportamento in transitorio Battimenti nella TRV:All’apertura dell’ultimo interruttore, si innescano delle oscillazioni libere nelcircuito LC della nella linea compensata. Tra i poli dell’interruttore si generaquindi trovare una TRV caratterizzata da una frequenza di battimento fb.

Secondo la CEI 62271-100 in condizioni di apertura in discordanza di fase“la tensione di ritorno a frequenza di esercizio deve essere uguale a 2,0/√3 voltela tensione nominale per i sistemi con neutro direttamente a terra”.

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0[s]-300

-200

-100

0

100

200

300

[kV]

2150 qHz

fb


Comportamento in transitorio Contromisure:Sebbene lo studio dettagliato di tali transitori richieda modelli specifici diuna certa complessità, è comunque possibile identificare dei criterigenerali per mitigare i fenomeni sopra descritti:

• Scelta di un corretto grado di compensazione• Uso di reattori con caratteristica lineare fino al 140 ÷ 150 % di Un• Impiego di sincronizzatori sugli interruttori di linea• Riduzione delle armoniche di corrente emesse dagli inverter

In particolare l’impiego dei sincronizzatori sugli interruttori di lineaconsente di ridurre i rischi di risonanze armoniche all’energizzazione dellalinea ed evita il mancato passaggio per lo zero della corrente.


Comportamento in transitorio Effetto dei sincronizzatori

Senza sincronizzatori: Con sincronizzatori:


Conclusioni• La gestione del reattivo nelle linee in cavo AT può essere sfidante, per viadella capability reattiva ridotta delle centrali da fonti rinnovabili e deivincoli sulle apparecchiature, in particolare l’interruttore di linea.

• Per rispettare il vincolo sulla corrente di interruzione a vuoto della linea ènecessario installare reattori in derivazione (lato linea) già per lunghezze di12 ÷ 15 km.

• Per mantenere un profilo ottimale di potenza reattiva è necessario variarela tensione in partenza in modo dipendente dalla potenza attiva.

• Su linee compensate con reattori è opportuno prevedere interruttoridotati di dispositivo di sincronizzazione

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