Collegio Ingegneri Ferroviari Italiani

Pomeriggio di Ingegneria Ferroviaria sulla

“TRAZIONE ELETTRICA”

L’elettrificazione ferroviaria in Italia dal 1900 al 2000

Parte II Sintesi dell’evoluzione tecnica nelle elettrificazioni 3 kV c.c.

Ing. Giuseppe Guidi Buffarini

Roma, 17 aprile 2007

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Elettrificazioni 3 kV c.c. - L’acquisizione dell’energia elettrica

• ⃞ Contratti con Aziende.

• ⃞ Impianti di produzione propria, trasferiti nel 1964 all’ENEL:• 1928- Impianto idroelettrico del Sagittario ( Sulmona) (3 gruppi da 10 MW);• 1934 – Impianto idroelettrico di Suviana (Bologna) (3 gruppi da 20 MW);• 1939 – Impianto idroelettrico di Bressanone (Bolzano) (3 gruppi da 30 MW e 2 da

16,5 MW);• 1940-1960 – Impianti geotermoelettrici di Larderello (Grosseto)(250 MW totali);• 1957- Impianti idroelettrici del Fundres e del Valles (Bolzano) (25 MW);• 1963 – Impianto idroelettrico di Monastero (Sondrio) (2 x 35 MW).

• ⃞ Alltri tipi di impianti per la rete primaria:• Gruppi convertitori 42/50 Hz a Riccione (2 x 20 MVA) (1940)• Gruppi convertitori 45/50 Hz a Civitavecchia (2 x 20 MVA) (1940)• Gruppi sincroni 10-20 MVAr di regolazione della tensione a Massa, Roma

Prenestina e Bologna.

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Elettrificazioni 3 kV c.c. – La rete primaria di trasporto dell’energia

• ⃞ Rete di linee primarie trifasi a 130 kV (150 kV nel Sud) (6000 km).• ⃞ Rete 60 kV 16 2/3 Hz convertita a 50 Hz (4000

km).• ⃞ La rete primaria non è stata nazionalizzata.• ⃞ Anni 60: messa a terra del neutro, protezioni

selettive distanziometriche, sostituzione degli interruttori, rafforzamento delle reti di terra delle sottostazioni.

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Elettrificazioni 3 kV c.c.- I fabbricati delle sottostazioni .

• ⃞ Reparto 130 kV e trasformatori installati all’aperto.• ⃞ Sino al 1939 fabbricato a 2 piani, con annesso

fabbricato gru, magazzino, ricovero carrelli.• ⃞ Nel 1940 il passaggio al tipo di raddrizzatore ad

aria soffiata consentì di concentrare tutto in un solo fabbricato ad un piano.• ⃞ Successivamente, con l’impiego di carri speciali

per il trasporto, il carico e lo scarico dei trasformatori, la gru non venne più prevista.

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Elettrificazioni 3 kV c.c.- I raddrizzatori a vapori di mercurio.

• ⃞ Detti comunemente “cilindri”, rappresentavano il cuore del sistema:• -in cassa metallica sotto vuoto, refrigerati ad acqua circolante in apposite

intercapedini; • -esafasi, alimentati da trasformatori con secondario a stella e forche; • -rendimento molto elevato e buona capacità di sovraccarico;• -soggetti, specie in caso di vuoto insufficiente a corto-circuiti interni (archi

di ritorno detti “calci”) contro i quali furono dotati di griglie polarizzabili;• -complessità e delicatezza dei dispositivi accessori;• -necessità di formazione prima della messa in servizio e di revisione

periodica (“apertura”) ;• ⃞ Nel 1947 introduzione di raddrizzatori ad aria soffiata mediante

ventilazione forzata. • ⃞ Nel 1954, infine, introduzione dei raddrizzatori ad ampolle sigillate.

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Elettrificazione 3 kV c.c. – I raddrizzatori al silicio.

• ⃞ Nei primi anni 60 introduzione dei raddrizzatori al silicio: salto di funzionalità e semplicità.

• ⃞ Trasformatore più semplice ed economico, con secondari a triangolo (schema a ponte di Graetz).

• ⃞ Sufficiente il raffreddamento naturale, purché ambiente ampio eventilato.

• ⃞ Uso iniziale di fusibili rapidi, superato dalla disponibilità di diodi di maggiore portata.

• ⃞ Standard: gruppi da 3,6 e 5,4 MW, sovraccaricabilità del 100% per 2 ore e del 200% per 5 min. .

• ⃞ Dagli anni 80, reazione dodecafase per diminuire le armoniche immesse lato primario.

• ⃞ Gruppi da 5,4 MW muniti di commutatore sottocarico per la regolazione della tensione

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Elettrificazione 3 kV c.c. – I filtri per le armoniche

• ⃞ Il raddrizzatore esafase genera lato c.c. armoniche di tensione 300 Hz, 600 Hz, 900 Hz, 1200 Hz, ecc., le quali disturbano le comunicazioni telefoniche che passano nei cavi posati lungo la linea.

• ⃞ Inizialmente filtri periodici: 4 complessi induttanza e condensatore in serie derivati in parallelo dalla sbarra 3 kV, risonanti su ciascuna delle 4 armoniche sopracitate; sovratensioni pericolose in occasioni di transitori.

• ⃞ A partire dagli anni 50, filtri aperiodici passa basso ad L (induttanza serie e capacità in parallelo) con frequenza di taglio di circa 100 Hz .

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Elettrificazione 3 kV c.c. – Gli interruttori extrarapidi.

• ⃞ Per la protezione dai corto-circuiti di linea: “interruttori extrarapidi”, in aria, con soffio magnetico che costringe l’arco ad allungarsi e a spegnersi all’interno di apposito caminetto di materiale isolante. • ⃞ I corto-circuiti sulla linea di contatto sono spesso

transitori; per evitare ripercussioni sull’esercizio, è stato necessario attuare l’ autorichiusura automatica degli interruttori, previa prova terra eseguita alimentando la linea tramite apposito contattore e resistenza limitatrice.

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Elettrificazione 3kV cc.- Il problema della discriminazione tra corto-circuito e carico

• ⃞ Difficoltà di discriminazione del corto-circuito lontano da una corrente di carico.• ⃞ Shunt magnetico; sua inadeguatezza con i carichi

attuali.• ⃞ Posti di sezionamento automatici.• ⃞ Dispositivi di asservimento tra interruttori

affacciati, pilotati anche da relé di minima tensione.• ⃞ Relé di protezione di tipo elettronico digitale.

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Elettrificazione 3 kV La linea di contatto standard degli anni 30

• ⃞ Palificazione: pali tubolari di acciaio tipo Mannesman. Campate di 50-60 metri.• ⃞ Sospensione: mensole tubolari di acciaio Φ 76 mm, sostenute da tirante.• ⃞ Una fune portante in rame da 120 mmq, tesata a 350 daN alla temperatura di

15°C .• ⃞ Due fili di contatto in rame sagomati da 100 mmq, con tiro regolato

automaticamente a 750 daN ciascuno, mediante contrappesatura e pulegge differenziali rapporto 1:2.

• ⃞ Pendinatura: a mezzo pendini di filo tondo in rame diametro 5 mm.• ⃞ Lunghezza delle tratte di regolazione: 1200 ÷ 1400 m; posti di regolazione su

pali.• ⃞ Distanza palo- rotaia: m 1,70 per i binari di corsa, m 1,58 per i binari di

precedenza.• ⃞ Portali per i sezionamenti a spazio d’aria ai lati delle stazioni.

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Elettrificazione 3 kV c.c. Evoluzione degli standards della linea di contatto.

• ⃞ Dal 1939 posti di regolazione con portali con traversa triangolare.• ⃞ Dagli anni 60, per velocità superiori a 140 km/h regolazione del tiro della fune

portante:• -applicazione di snodi alle mensole;• -tiri regolati su 1375 daN quello della fune e su 1000 daN quello dei fili;• -regolazione dei tiri mediante contrappesi e taglie rapporto 1.5;• -regolazione dei tiri delle funi e dei fili estesa anche alle gallerie;• -freccia dei fili a centro campata pari all’1 per mille della lunghezza della campata;• -posti di regolazione su pali, con regolazione su tre campate;• ⃞ Impiego di isolatori a bastone in vetro-resina e teflon, in luogo dei ceramici.• ⃞ Zincatura a spruzzo dei pali tubolari e rivestimento con polietilene della parte

terminale.• ⃞ 1962: introduzione dei pali LS per la piena linea.

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Elettrificazione 3 kV c.c.Standard T.E. della DD.ma Roma-Firenze

• ⃞ Linea per 250 km/h; 1° tratto attivato il 24 Febbra io 1977;completamento nel 1992.

• ⃞ SSE: passo 15-16 km, equipaggiate con 2 gruppi da 5,4 MW.• ⃞ Linea di contatto: nel primo tratto 460 mmq (1 fune da 160 mmq, 2750

daN, 2 fili da 150 mmq, 1500 daN) nel resto 610 mmq. • ⃞ Sostegni: a portali a traliccio, incernierati alla base.• ⃞ Sospensioni con mensole a puntone inclinato e tirante orizzontale

applicate a supporti penduli .• ⃞ Nel 1999 iniziato il rinnovo della linea di contatto, con miglioramenti:• -sezione delle condutture 540 mmq: 2 funi da 120 mmq, 1500 daN, 2 fili

da 150 mmq, 1875 daN; • -sospensioni in lega leggera; distribuzione della pendinatura ottimizzata;

pendini in cordino in rame molto flessibili; miglioramenti costruttivi delle taglie.

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Elettrificazioni 3 kVAdeguamento e potenziamento degli impianti TE

• ⃞ Dal 1970 in poi fu dato avvio ad un piano di adeguamento degli impianti alle maggiori velocità ed ai maggiori carichi richiesti dall’esercizio nonché di rinnovo totalitario degli impianti più vetusti:

• -sostituzione dei gruppi a vapori di mercurio con gruppi al silicio ;• -costruzione di sottostazioni intermedie;• -adeguamento della linea di contatto con aumento a 440 mmq della

sezione con aggiunta di una 2a portante da 120 mmq ; tiri delle 2 funi regolati su 1100 daN.

• ⃞ Sostituzione delle condutture in intervalli, spesso notturni, di 3 ore; treni di tesatura frenata.

• ⃞ In programmazione ulteriore adeguamento delle linee di contatto della rete fondamentale con incremento della sezione da 440 mmq a 540 mmq(due fili da 150 mmq in luogo dei fili da 100 mmq).

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Elettrificazioni 3 kV c.c.Protezione dalle sovratensioni atmosferiche.

• ⃞ Livello d’isolamento della linea di contatto elevato: 125 kVad impulso.

• ⃞ Negli anni 60 sperimentati sulla Battipaglia-ReggioCalabria scaricatori di linea, senza successo .

• ⃞ Dal 1963 in poi applicato sulle linee più esposte il cosiddetto “trefolo ceraunico”.

• ⃞ Attualmente si monta in alto uno dei due trefoli di terra. • ⃞ Sulle uscite degli alimentatori 3 kV, sin dagli anni 50 furono

installati scaricatori a spinterometro e condensatore.• ⃞ Attualmente è stata sperimentata favorevolmente la

sostituzione con scaricatori ad ossido di zinco.

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Elettrificazioni 3 kV c.c. Il problema delle correnti disperse.

• ⃞ Le correnti disperse dai binari nel terreno creano corrosioni nelle strutture metalliche.• ⃞ Negli anni 50, accordi tra le ferrovie e gli utenti del

sottosuolo sui rimedi:• -ferrovie : riduzione della resistenza longitudinale e

della dispersione verso terra del binario; massicciata mantenuta pulita;

• -utenti del sottosuolo : sezionamenti isolanti nelle condotte, rivestimento delle condotte, protezioni catodiche, drenaggi naturali o forzati.

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Elettrificazioni 3 kV c.c. Gli impianti di telecomando

• ⃞ A partire dagli anni 50 impianti di telecomando delle sottostazioni e dei sezionamenti di linea.

• ⃞ Forti benefici per il risparmio di personale e vantaggi per l’esercizio specie in caso di anormalità.

• ⃞ Evoluzione tecnica:• -tipo elettromeccanico con codici ad impulsi di relé;• -tipo elettronico con componenti discreti;• -tipo a logica cablata;• -tipo computerizzato, con aggiunta di numerose altre

funzioni (scambio moduli, registrazione di eventi, automazione sezionamenti, ecc.);

• -sostituzione dei quadri e dei pulsanti con pagine video e con • comandi tipo “mouse”.

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Approfondimenti e bibliografia

Giuseppe Guidi Buffarini

L'elettrificazione ferroviaria in Italia hacompiuto 100 anni

Ingegneria Ferroviaria, settembre 2003