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Università di Napoli Federico II, CdL Ing. Meccanica, A.A. 2017-2018, Elettrotecnica. Lezione 27 Pagina 1

Lez.24 Cenni sui sistemi elettrici


Generalità sul sistema elettrico per l’energia

I primi impianti elettrici risalgono agli inizi dell’800 (es. telegrafo)

La rapida diffusione è dovuta alla possibilità di convertire con facilità

ed elevato rendimento l’energia elettrica in altre forme di energia

(meccanica, termica, luminosa) e alla possibilità di sfruttare fonti di

energia altrimenti inutilizzabili (es. centrali idroelettriche).

L’energia elettrica non è accumulabile in grandi quantitativi

(condensatori, induttori). Ne consegue che in ogni momento si deve

generare energia pari a quella richiesta. Piccoli squilibri sono ammessi

solo per pochi secondi. Il mantenimento di questa condizione è reso

difficile dalla richiesta di energia che è fortemente variabile (nelle

diverse ore del giorno, durante le stagioni, ecc.).


Alternata o continua?

Le prime applicazioni elettromagnetiche sono in continua (telegrafo,

dinamo, motori in c.c.)

Vantaggi dell’alternata:

1. Uso del trasformatore con la possibilità di trasportare energia con

elevate tensioni e basse correnti;

2. facilità di interruzione delle correnti per il loro naturale passaggio

per lo zero;

3. Impiego per la produzione dell’energia elettrica del generatore

sincrono, più affidabile della dinamo.

Vantaggi della continua:

1. Facilità di risoluzione delle reti.


Monofase o trifase?

Vantaggi del sistema trifase:

1. Maggiore semplicità, sicurezza e rendimento del motore asincrono

trifase rispetto al monofase;

2. Costi di impianto inferiori a parità di potenza trasferita.

Applicazioni monofase:

1. Distribuzione in bassa tensione

2. Trazione ferroviaria

Applicazioni in continua

1. Linee di trasmissione sottomarine in cavo per lunghe distanze.

2. Trazione ferroviaria


Costituzione del sistema elettrico nazionale

G20 kV

20 kV/380 kV

MT/AT

380 kV/150 kV 150 kV/20 kV 20 kV/380 V

MT/BT

Trasmissione

AT/ATStazione primaria

Distribuzioneprimaria

DistribuzioneMT

DistribuzioneBT

AT/MTStazione secondaria Cabina

Generazione


Produzione

Per la produzione di energia elettrica si utilizzano come fonti primarie:

energia idraulica, energia termica da combustibili fossili, energia

termica da combustibili nucleari, energia solare, energia eolica.

Trasmissione e distribuzione

Per la trasmissione e distribuzione aerea di energia elettrica sono

impiegati conduttori nudi, generalmente di rame o alluminio. Essi hanno

un’anima di acciaio per migliorare le proprietà meccaniche. L’alluminio è

più leggero del rame (del 30%) e ha una conducibilità minore (circa il

60%). A parità di potenza dissipata per effetto Joule, una linea di

alluminio pesa circa la metà di una linea in rame.


I conduttori sono mantenuti da sostegni. I sostegni possono essere di

legno (sempre più rari), acciaio, cemento armato, vetroresina. Nel

campo dell’alta tensione si usano sostegni a traliccio, realizzati con

diversi elementi modulari collegati opportunamente.


I conduttori nudi non possono essere ovviamente connessi

direttamente al sostegno. Per garantire il supporto meccanico e

l’isolamento elettrico si usano gli isolatori. Gli isolatori sono sempre

caratterizzati da un nucleo di materiale isolante e da elementi metallici

ai quali agganciare, da una parte il conduttore e, dall’altra, il sostegno.

I materiali isolanti (D) generalmente

impiegati sono la porcellana, il vetro,

la resina. Un tipico esempio di

isolatore è l’isolatore “cappa (C) e

perno (P)”, la cui forma consente di

agganciare più isolatori tra loro,

costituendo una catena con più

elementi, da impiegare su linee a differente tensione.


Per la distribuzione sotterranea o sottomarina si utilizzano linee in

cavo. Un cavo elettrico è costituito da un’anima centrale (il conduttore,

per il trasferimento dell’energia), da un’isolante solido (per l’isolamento

elettrico), da uno schermo metallico (per uniformare il campo elettrico

nel dielettrico), da una guaina di protezione.


Condizioni di funzionamento

Il sistema elettrico è l’insieme delle macchine, delle apparecchiature e

delle linee destinate alla produzione, trasformazione, trasmissione,

distribuzione e utilizzazione dell’energia elettrica.

In condizioni di funzionamento normale, il sistema opera con tensioni,

correnti e frequenze di progetto. In funzionamento anormale, il

sistema opera con tensioni e correnti più elevate di quelle nominali.

In tal caso si possono avere sovratensioni e sovracorrenti.


Sovratensioni: Sono tensioni maggiori delle nominali.

Hanno generalmente carattere transitorio

• Sovratensioni interne (manovra). Derivano da cause dipendenti

dall’esercizio del sistema, quali apertura o chiusura di interruttori,

fenomeni di risonanza, improvvisa riduzione del carico.

• Sovratensioni esterne (atmosferiche), dovute generalmente a

fenomeni di induzione elettrostatica e/o elettromagnetica. Il caso

più grave è quello della fulminazione diretta, quando una linea viene

colpita da un fulmine (Vmax=1÷4 MV, Imax=10÷100 kA).

Le sovratensioni possono produrre il cedimento dell’isolamento

elettrico. Se l’isolamento è solido, esso viene danneggiato

irreversibilmente.


Sovracorrenti: Sono correnti maggiori delle nominali:

• Sovraccarico transitorio (manovre, quale avviamento di motori

asincroni, inserzione di trasformatori a vuoto);

• Sovraccarico permanente (se vengono inseriti utilizzatori di

potenza maggiore di quella di dimensionamento dell’impianto). I

sovraccarichi hanno un effetto quasi esclusivamente termico;

possono comportare un deterioramento dell’isolamento elettrico

e, in casi estremi, provocare un incendio. In genere, se i

sovraccarichi sono di durata limitata e non troppo frequenti,

allora non sono pericolosi.

• Cortocircuito (guasto). È un collegamento a bassa impedenza che

si instaura tra parti a differenti tensioni (ad esempio tra un

conduttore e la terra). È fonte di sollecitazioni

elettrodinamiche e termiche notevoli.


Protezione dalle sovratensioni

Fune di guardia

È posta al di sopra dei conduttori, sulla sommità dei sostegni. È

collegata elettricamente a terra. Realizza una sorta di gabbia di

Faraday per la protezione dalle sovratensioni di origine atmosferica.

Scaricatori

Sono installati nei pressi delle apparecchiature da proteggere.

Generalmente sono di tipo spinterometrico, costituiti da due elettrodi

sagomati posti ad una opportuna distanza in aria. Al manifestarsi di una

sovratensione, tra essi si innesca un arco elettrico che provoca la

riduzione della tensione. In alta tensione si usano scaricatori a

resistenza non lineare, con resistenza che diminuisce al variare della

corrente di scarica, al fine di contenere la tensione.


Protezione tramite scaricatore


Protezione dalle sovracorrenti

L’apertura di un circuito comporta l’interruzione della corrente.

L’apertura viene tipicamente realizzata separando due contatti

(elettrodi o poli) inizialmente in contatto elettrico

Se l’apertura avviene in presenza di corrente, la corrente non si

interrompe istantaneamente, ma permane per un certo tempo

attraverso un arco elettrico. In genere gli interruttori sono realizzati

in modo da estinguere l’arco in tempi brevi

In alternata l’arco elettrico si spegne durante il passaggio dello zero,

per poi innescarsi nuovamente se i campi elettrici sono sufficienti. In

continua lo spegnimento dell’arco è più complesso.

I componenti utilizzati per la protezione dalle sovracorrenti sono gli

interruttori (reversibili) e i fusibili (non reversibili).


Fusibili:

Sono organi di protezione irreversibili, ma affidabili ed economici. Il

fusibile è realizzato con un filo conduttore a bassa temperatura di

fusione, alloggiato in un contenitore. Percorso dalla sovracorrente il filo

fonde e si spezza, garantendo l’apertura del circuito. Per le loro

caratteristiche intrinseche i fusibili non discriminano tra sovraccarico

e cortocircuito. Le condizioni di intervento di un fusibile sono

determinate entro una fascia di incertezza. La caratteristica di

intervento, che lega intensità di corrente elettrica e tempo di

intervento del fusibile, è pertanto contraddistinta da una zona F, che

rappresenta i punti di sicura fusione e da una zona S in cui è escluso

l’intervento della protezione.

simbolo grafico del fusibile


caratteristica di intervento di un fusibile


Interruttore

L’interruttore è un organo di protezione, ma anche di manovra. È

abilitato ad aprire in caso di cortocircuito. Può essere di tipo

automatico se comandato da un dispositivo detto relè.

(a) (b)

simbolo grafico dell’interruttore azionato manualmente (a) e dell’interruttore automatico (b)

Lo spegnimento dell’arco avviene nella camera di interruzione ove è

presente un mezzo dielettrico quale aria, olio, esafluoruro di zolfo,

vuoto.


Gli interruttori sono generalmente molto ingombranti, pesanti e

costosi, in quanto devono far fronte a notevoli sollecitazioni sia

meccaniche che termiche.

Tecniche di interruzione: allungamento dell’arco (separazione rapida

dei contatti, soffiatura pneumatica, soffiatura magnetica);

raffreddamento del fluido (tramite rimescolamento o favorendo lo

scambio termico con le pareti della camera di interruzione)


Un interruttore è caratterizzato da:

tensione nominale: tensione di progetto, alla quale vengono riferite le

prestazioni del componente;

corrente nominale: valore di intensità di corrente elettrica che

l’interruttore può condurre in assegnate

condizioni ambientali e nel rispetto delle

specifiche progettuali;

potere di interruzione: valore di corrente che un interruttore può

interrompere ad una tensione non superiore al

10% della tensione nominale, con frequenza e

fattore di potenza nominali. Il potere di

interruzione deve essere superiore alla

corrente di cortocircuito presunta nel punto di

installazione della protezione.


Relè

Il relè è un dispositivo che permette di azionare in modo automatico gli

interruttori. È sensibile ad una grandezza di comando (quale tensione,

corrente). Si caratterizza per la sua caratteristica di intervento

(tempo di intervento in funzione della grandezza di comando).

Relè elettromagnetico: per effetto della corrente i(t) il campo

magnetico creato dall’elettromagnete permette di vincere la forza di

una molla antagonista e realizzare il collegamento elettrico per mezzo

dei contatti. Esso non interviene per correnti inferiori alla corrente di

soglia Is e interviene in tempi estremamente brevi per correnti

superiori. Per questa caratteristica è adatto per la protezione dai

cortocircuiti.


Relè termico: sfrutta la dilatazione termica in un elemento percorso

dalla corrente i(t); la dilatazione crea un’azione meccanica che realizza

il contatto elettrico. Il tempo di intervento diminuisce all’aumentare

della corrente. È idoneo per la protezione dai sovraccarichi perché il

suo intervento è più lento se il sovraccarico è minore.

Relè magnetotermico: utilizza sia un relè termico che un relè

elettromagnetico. È adatto sia per sovraccarichi che cortocircuiti

Relè differenziale: è impiegato per la protezione delle persone. La

caratteristica di intervento è simile a quella di un relè

elettromagnetico, con la differenza che la corrente di intervento

(corrente differenziale) può assumere valori estremamente piccoli (30

mA, tipicamente).


Coordinamento

Spesso si pongono in serie un interruttore magnetotermico e un fusibile

con caratteristiche che si compongono opportunamente. Per correnti di

guasto relativamente modeste, interviene l’interruttore, mentre per

correnti elevate interviene il fusibile o quando l’interruttore, per

guasto, non interviene. È possibile così impiegare un interruttore con

potere di interruzione più piccolo della più elevata corrente di guasto.

Selettività

L’intervento di un interruttore o di un fusibile comporta l’interruzione

di tutte le utenze a valle. Per mettere fuori servizio il minor numero

possibile di utenti è necessario che i dispositivi di intervento siano

opportunamente coordinati tra loro.


Organi di manovra (non di protezione)

I sezionatori sono destinati ad interrompere la continuità elettrica di

una linea. I contatti sono visibili all’operatore e costituiscono una

garanzia visiva sullo stato di apertura della linea.

I contattori sono dimensionati per interrompere le sole correnti di

normale esercizio di un impianto. Non possono interrompere correnti di

cortocircuito e, quindi, non sono organi di protezione. Sono usati per

ripetute aperture e/o chiusure. Possono essere anche automatici

(a) (b) simbolo grafico del contattore azionato manualmente (a) e del contattore automatico (b)

simbolo grafico del sezionatore


Il contatto elettrico Contatto diretto:

Contatto di una persona con parti di impianto normalmente in tensione,

quali i conduttori di una linea elettrica, compreso il neutro.

Contatto indiretto:

Contatto di una persona con parti di impianto normalmente non in

tensione, che possono trovarsi in tensione in seguito ad un guasto o

cedimento dell’isolamento.

L’uomo, in presenza di contatto elettrico, diviene parte integrante

dell’intero impianto elettrico e, come tale, si comporta come

un’impedenza elettrica sottoposta ad una determinata tensione

(tensione di contatto Uc) e attraversata dalla corrente Ic. Il passaggio

di Ic, indicato come elettrocuzione o folgorazione, dà luogo a fenomeni

elettrofisiologici variabili, le cui conseguenze possono essere letali.


Effetti della corrente elettrica nel corpo umano

La nostra vita biologica è regolata sia a livello cerebrale che cellulare

da impulsi di natura elettrica che determinano le diverse funzioni del

nostro organismo. Appare evidente che, se a queste correnti

aggiungiamo correnti di origine esterna, il complesso equilibrio su cui è

regolata tale attività risulta alterato con modificazioni più o meno

significative che dipendono dalla intensità della corrente e dal suo

tempo di permanenza nel corpo.


Tetanizzazione muscolare:

Il passaggio di una corrente elettrica può provocare, inizialmente,

contrazioni muscolari (crampi) e, successivamente, paralizzare l’intero

sistema nervoso. In tal caso il soggetto, nonostante la propria volontà,

non riesce a staccarsi dall’elemento in tensione. Possono essere

interessati anche muscoli lontani da quelli in contatto con le parti in

tensione con conseguenti incontrollate reazioni motorie che portano,

ad esempio, ad una facile perdita di equilibrio e, di conseguenza, a

rovinose cadute da scale, balconi ecc. Se sono interessati i muscoli della

respirazione, si può avere un blocco respiratorio, con conseguenti

cianosi, svenimento, lesioni cerebrali, morte.

Si definisce corrente di rilascio il limite di corrente al di sopra del

quale una persona non è più in grado di staccarsi dalla parte in tensione

(il limite è 10mA per correnti alternate 15÷100 Hz)


Fibrillazione:

La elettrocuzione può portare ad una irregolare stimolazione del cuore,

detta fibrillazione, definita come il pulsare disordinato e irregolare del

muscolo cardiaco che determina la completa avaria dello stesso e

l’annullamento della pressione sanguigna. La fibrillazione può essere

atriale (reversibile) oppure ventricolare (reversibile con l’ausilio di un

defribrillatore). La fibrillazione ventricolare è responsabile di oltre il

90% delle morti per folgorazione.

Ustioni:

Nei punti di contatto, a causa dell’elevato valore della resistenza e

dell’alto valore della corrente, si possono presentare bruciature o

ustioni causate dall’effetto Joule (RIc2). Poiché la pelle ha elevata

resistività, essa risulta essere il tessuto più esposto alle ustioni.


Resistenza del corpo umano

La resistenza elettrica del corpo umano si può considerare come un

insieme di resistenza e capacità che variano al passaggio della corrente.

Il valore della resistenza varia in funzione di:

• stato della pelle (sudore, ferite, calli ecc.);

• tensione di contatto;

• durata del contatto;

• superficie di contatto;

• pressione di contatto;

• percorso della corrente elettrica.

Con tensioni sinusoidali di valore efficace di alcune decine di volt, la

resistenza del corpo umano è difficilmente Ru<2000


Per una data frequenza la corrente pericolosa Ip e il tempo di

permanenza t nel corpo umano sono tra loro correlati:

t

QII p

0

ove I0=10÷30 mA e Q=10mAs a frequenza industriale.

Nel corpo umano può permanere, illimitatamente ( t ), una

corrente di circa 10 mA.

Considerando la resistenza media del corpo umano Ru e il limite di

pericolosità della corrente elettrica, la normativa ritiene che non siano

pericolose a 50Hz tensioni di contatto di 50 V (25 V in ambienti

particolari, 120 V in continua) che permangano nel corpo umano per non

più di 5 secondi.


Zone di pericolosità della corrente (corrente alternata)

Zona 1): Assenza di reazioni

Zona 2): Nessun effetto pericoloso

Zona 3): Contrazioni muscolari

Zona 4): Fibrillazione ventricolare, gravi ustioni.


Incidente elettrico da contatto indiretto

RC= Resistenza del corpo umano

VC= Tensione di contatto

RCt= Resistenza corpo-terra

Rn= Resistenza neutro-terra

E= Tensione di alimentazione

Ig= corrente di guasto

IC= corrente nel corpo umano

CtCn

CgRRR

EII


La protezione contro i contatti diretti si realizza nei seguenti modi:

a) messa a terra delle masse, connettendole a un impianto di terra,

per evitare che esse assumano potenziali pericolosi;

b) interruzione dell’alimentazione tramite interruttori automatici;

c) doppio isolamento;

d) separazione elettrica, tramite trasformatore di isolamento.

Impianto di messa a terra

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