ELEMENTIELEMENTI didi 

IMPIANTI ELETTRICIIMPIANTI ELETTRICI

STRUTTURA RETE ELETTRICA

GENERAZIONEin MT

TRASMISSIONEin AT

DISTRIBUZIONEin MT e BT

(10‐15 kV) (220‐380 kV)

Classificazione sistemi elettrici (Norma CEI 64‐8)( )Categoria Tensione Alternata Tensione continua

0 Vn ≤ 50 V Vn ≤ 120 V

1 50 V ≤ Vn ≤ 1000 V 120 V < Vn ≤ 1500 V

2 1 kV < Vn ≤ 30 kV 1.5 kV< Vn ≤ 30 kV

BT

MT

3 Vn > 30 kV Vn > 30 kVAT

STRUTTURA RETE ELETTRICAStruttura del sistemaUn sistema elettrico di produzione, trasmissione e distribuzione dell'energia elettrica consta schematicamente dei seguenti elementi:

• Impianti di produzione (o meglio trasformazione!?!);• Linee di trasmissione AT;• Stazioni primarie;• Linee di distribuzione AT;• Cabine primarie;• Linee di distribuzione MT;• Cabine secondarie;• Linee di distribuzione BT

La Generazione della Energia Elettrica

La GENERAZIONE della ENERGIA ELETTRICA

La produzione, nei tipi di centrali più comuni, è fatta mediante un generatore sincrono trifase detto alternatore che eroga energiageneratore sincrono trifase, detto alternatore, che eroga energia ad una tensione variabile tra i 10 ed i 25 kV, con potenze comprese tra i 25 ed i 500 MVAp

La tensione non può salire oltre per motivi tecnologici; una tale tensione è troppo BASSA per la successiva trasmissione (le perdite in linea sarebbero intollerabilmente elevate)

Per questo motivo, a pochi metri dall’alternatore (di regola nel piazzale esterno al capannone in cui questo si trova), viene p p q ),installato un trasformatore elevatore trifase, che ha la funzione di portare la tensione dal valore fornito dall’alternatore, al valore ù d l dpiù adatto per la rete di trasmissione.

La GENERAZIONE della ENERGIA ELETTRICA

Le centrali elettriche sono degli stabilimenti nei quali si effettuala CONVERSIONE di energia da una forma non elettrica adgelettrica.

Esse si differenziano in base al tipo di energia “primaria” cheEsse si differenziano in base al tipo di energia primaria cheimpiegano. Si hanno impianti:

1. Idroelettrici:1. Idroelettrici:• Ad acqua fluente (piccola prevalenza, grande portata di acqua, adatte 

per grandi fiumi; inadatti alla regolazione, in quanto antieconomica)• A salto (prevalenza medio alta portata più ridotta; adattissime alla• A salto (prevalenza medio‐alta, portata più ridotta; adattissime alla 

regolazione)• Di pompaggio (concettualmente si tratta di un impianto simile al 

d h ò l dprecedente, che però viene impiegato come accumulatore, pompando acqua verso l’alto durante la notte, e utilizzando l’energia immagazzinata durante il giorno. Rendimento totale circa del 60%, adatte alla regolazione)

1. Impianti IDROELETTRICI ad acqua fluentehttp://www enel it/VisitaCentrali/main htmhttp://www.enel.it/VisitaCentrali/main.htm

Non dispongono di alcuna capacità di regolazione degli afflussi, per cui la portata sfruttata coincide con g , p pquella disponibile nel corso d'acqua (a meno di una quota detta deflusso minimo vitale, necessari per salvaguardare l'ecosistema); quindi la turbina 

d di t i t t l t di d tiproduce con modi e tempi totalmente dipendenti dalla disponibilità del corso d'acqua.

Le turbine delle centrali ad acqua fluente sono qazionate dall'acqua di un fiume. Il dislivello tra l'alto e il basso corso del fiume è minimo se paragonato a quello delle centrali ad accumulazione. Per contro la quantità d'acqua disponibile è maggiorequantità d'acqua disponibile è maggiore. 

Le centrali ad acqua fluente funzionano ininterrottamente, coprendo la domanda di base: psono quindi centrali di base. La produzione di elettricità dipende dalla portata del fiume: di norma in Italia queste centrali producono più energia nelle stagioni piovosestagioni piovose 

1. Impianti IDROELETTRICIhttp://www enel it/VisitaCentrali/main htmhttp://www.enel.it/VisitaCentrali/main.htm

Salto (m)Diga espillamento

Bacino di carico

spillamento

Griglia difiltraggio

Centrale

Quadro controllo

Alla rete

Quadro controllo

Cabina

Portata (m3/s)

Turbina

Generatore

Potenza (kW) ≈ 7 x Salto x PortataBacino inferiore

1. Impianti IDROELETTRICI di pompaggiohttp://www enel it/VisitaCentrali/main htmhttp://www.enel.it/VisitaCentrali/main.htm

CENTRALI IDROELETTRICHE

TURBINA RISORSA CARATTERISTICATURBINA RISORSA CARATTERISTICA

Kaplan Acqua fluente Bassa velocità Kaplan Acqua fluente Bassa velocità (p elevato)

Francis Bacino idroelettrico Media velocitàFrancis Bacino idroelettrico (bassa caduta)

Media velocità

Pelton Bacino idroelettrico Alta velocitàe ton Bac no droe ettr co(alta caduta)

ta e oc tà(p=1,2)

2. Impianti TERMOELETTTRICI

Le centrali termoelettriche, sostanzialmente, sono costituite da sistemi di conversione che utilizzano l'energia chimica dei combustibili per trasformarla in energia elettrica. 

Le centrali termoelettriche sono caratterizzate da una caldaia, alimentata automaticamente dal deposito che contiene il combustibile e attraversata da una serpentina nella quale circola l'acqua.

L'acqua, grazie alla combustione e all'energia termica conseguente, viene riscaldata fino a 300°C e si trasforma in vapore; questo viene ulteriormente riscaldato fino a 450°C ed acquisisce una notevole pressionein vapore; questo viene ulteriormente riscaldato fino a 450 C ed acquisisce una notevole pressione.

Il vapore convogliato sulla turbina, cede la sua energia cinetica facendo ruotare la stessa.

2. Impianti TERMOELETTTRICI

La turbina, collegata all'asse dell'alternatore lo trascina in rotazione. Nell'alternatore, grazie al fenomeno dell'induzione elettromagnetica, l'energia meccanica trasmessa dalla turbina, viene trasformata in energia elettrica.elettrica.

L'energia elettrica prodotta dall'alternatore viene trasmessa al trasformatore che ne innalza la tensione, per evitare perdite, prima di immetterla nella rete di distribuzione.

Il vapore che esce dalla turbina viene riportato allo stato liquido nel condensatore e ripompato nella caldaiaIl vapore che esce dalla turbina viene riportato allo stato liquido nel condensatore e ripompato nella caldaia.

Il camino provvede ad espellere nell'atmosfera i fumi della combustione.

2. Impianti TERMOELETTTRICI• A vapore (impianto a ciclo Rankine‐Hirn; viene prodotto vapore che evolve in una turbina; il

combustibile può essere gas, gasolio, o carbone; lente in regolazione, che è antieconomica)

• Turbogas (impianto in cui viene prodotto gas ad elevata temperatura che evolve in una turbina• Turbogas (impianto in cui viene prodotto gas ad elevata temperatura che evolve in una turbinaa gas; molto veloci in regolazione)

• A ciclo combinato (impianto a turbogas, in cui con i gas ad alta temperatura che si hanno alloscarico vengono utilizzati per produrre vapore che aziona una turbina a vapore; il rendimentoè migliore)

3. Impianti TERMONUCLEARI

Impianto a vapore, in cui la vaporizzazione è ottenuta a spese dell’energia prodotta da una reazione di fissione nucleare controllata; inadatte alla regolazione, che inoltre è antieconomica.

Ogni centrale è formata da un reattore protetto da una campana di rivestimento e da un sistema di raffreddamento in cui circola l'acqua presa da un fiume o dal 

L' i i è f i d llmare. L'energia termica è fornita dalla fissione dei nuclei di atomi di uranio, che ha luogo nel reattore nucleare. 

L' acqua, riscaldata dal calore prodotto durante la fissione, viene trasformata in vapore . Il vapore mette in funzione una turbina collegata con un alternatore che produce energia elettrica. Il vapore uscito dalla turbina passa in un condensatore dove viene raffreddato e trasformato in acqua. Questa 

i i i l i iliacqua viene inviata al reattore per essere riutilizzata. 

4. Impianti FOTOVOLTAICIProducono energia tramite la conversione diretta realizzata da celle fotovoltaiche di energia da luminosa ad elettrica; la potenza è limitata dall’insolazione; sono eccellenti per l’alimentazione di piccoli impianti difficilmente raggiungibili, comeeccellenti per l alimentazione di piccoli impianti difficilmente raggiungibili, come piccoli fari, boe luminose, etc. 

I principali componenti di un impianto fotovoltaico a isola sono generalmente:generalmente:

• Campo fotovoltaico, deputato a raccogliere energia mediante moduli fotovoltaici disposti opportunamente a favore del sole; 

• Regolatore di carica, deputato a stabilizzare l'energia raccolta e a gestirla all'interno del sistema; 

• Batteria di accumulo, costituita da una o più batterie ricaricabili opportunamente connesse (serie/parallelo) deputata/e aopportunamente connesse (serie/parallelo) deputata/e a conservare la carica elettrica fornita dai moduli in presenza di sufficiente irraggiamento solare per permetterne un utilizzo differito da parte degli apparecchi elettrici utilizzatori. 

• Inverter altrimenti detto convertitore DC/AC, deputato a convertire la tensione continua (DC) in uscita dal pannello (solitamente 12 o 24 volt) in una tensione alternata (AC) più alta (in genere 110 o 230 volt per impianti fino a qualche kW a 400(in genere 110 o 230 volt per impianti fino a qualche kW, a 400 volt per impianti con potenze oltre i 5 kW) 

5. Impianti SOLARI

Producono energia tramite la d i di dproduzione di vapore ad 

opera dell’energia solare; potenza limitata pdall’insolazione

6. Impianti EOLICISfruttano l’energia del vento tramite grosse eliche; installabili in località in cui i venti g g ;soffino con costanza, per avere redditività, senza punte improvvise, per evitare danneggiamenti.

Un impianto eolico è costituito da una o più turbine (aerogeneratori) che trasformano l’energia cinetica del vento in energia elettrica, operando attraverso il semplice principio di seguito illustrato.

La rotazione è successivamente trasferita, attraverso un apposito sistema meccanico di moltiplicazione dei giri, ad un generatore elettrico e l’energia prodotta, dopo essere stata adeguatamente trasformata, viene immessa nella rete elettrica.

Il vento fa ruotare un rotore normalmenterotore, normalmente formato di due o tre pale e collegato ad un asse orizzontale. 

7. Impianti GEOTERMICOSf tt l’ i t i i t d l Generalmente nelle attuali centraliSfruttano l’energia termica proveniente dal terreno in particolari siti, quali i soffioni di Larderello, nel Grossetano

Generalmente nelle attuali centrali geotermoelettriche si sfrutta la pressione esercitata dal vapore contenuto negli acquiferi geotermici per muovere una turbina Rankineg paccoppiata ad un generatore. L’enorme pressione dei geyser spinge i vapori fino a un altezza che varia dai 20 ai 70 metri. L’energia di questo fenomeno naturale è enorme sequesto fenomeno naturale è enorme, se incanalata può alimentare direttamente una turbina a vapore e produrre una quantità notevole di energia. Di questo tipo sono le centrali di Lardarello in Toscana, in Islanda questa tecnologia è molto sfruttata, la centrale più grande è "The Geyser", che si trova circa 140 km a Nord di San Francisco in California (Usa)km a Nord di San Francisco in California (Usa) con una potenza totale di 750 MW.

8. Impianti MAREOMOTORISfruttano l’energia delle maree; impiegabili soltanto dove le maree siano molto forti, e l’estuario di un fiume sia sufficientemente ampio da poter essere usato come bacino.Impianto tipico: centrale di Saint Malo alla foce del fiume Rance, sulla costa Atlantica della Francia. Sfrutta la marea che da quelle parti raggiunge 13,5 m di dislivello

La portata raggiunge 18.000 metri cubi di acqua al secondo e la produzione annua della centrale copre il 3 % del fabbisogno elettrico della Bretagna.

L t l d di iLa centrale comprende una diga in pietrame, 6 chiuse di entrata e uscita per vuotare e riempire rapidamente la foce e 24 turbine a bulbo sviluppatefoce e 24 turbine a bulbo, sviluppate appositamente.

Impatto delle “rinnovabili”

Energia elettrica da rinnovabili, 1994‐20052005Da notare la costanza della geotermica, il significativo aumento delle biomasse e rifiuti, la scarsità dell’eolica, l’inconsistenza della solare

Ogni centrale comprende anche una serie di altre apparecchiature di 

t imanovra e protezione:

• INTERRUTTORI• SEZIONATORI• TA (trasformatori di corrente)• TA (trasformatori di corrente)• TV (trasformatori di tensione)• Diversi strumenti di misura• Diversi strumenti di misura• Sistemi di regolazione• Allarme in caso di guastiAllarme in caso di guasti

La produzione in ITALIApL'Italia non dispone di consistenti riserve di combustibili fossili e quindi la quasi totalitàcombustibili fossili e quindi la quasi totalità della materia prima utilizzata viene importata dall'estero.Secondo le statistiche di Terna società cheSecondo le statistiche di Terna, società che dal 2005 gestisce la rete di trasmissionenazionale, la maggior parte delle centrali termoelettriche italiane sono alimentate atermoelettriche italiane sono alimentate a gas naturale (65,2% del totale termoelettrico nel 2007), carbone (16,6%) e derivati petroliferi (8,6%). Percentualiderivati petroliferi (8,6%). Percentuali minori (circa il 2,1%) fanno riferimento a gas derivati (gas di acciaieria, di altoforno, di raffineria) e a un generico paniere di "altri 

Variazioni percentuali fonti di energia non rinnovabile in Italia. Elaborazione da dati pubblicati da Terna) g p

combustibili" (circa il 7,3%) in cui sono comprese diverse fonti combustibili "minori", sia fossili che rinnovabili 

pubblicati da Terna

(biomassa, rifiuti, coke di petrolio, Orimulsion, bitume e altri).

La produzione in ITALIApLa maggior parte dell'energia elettrica prodotta in Italia con fonti rinnovabili derivaprodotta in Italia con fonti rinnovabili deriva dalle fonti rinnovabili cosiddette "classiche". Le centrali idroelettriche(localizzate principalmente nell'arco alpino(localizzate principalmente nell arco alpino e in alcune zone appenniniche) producono il 10,7% del fabbisogno energetico lordo; le centrali geotermoelettrichecentrali geotermoelettriche(essenzialmente in Toscana) producono l'1,5% della potenza elettrica mentre le "nuove" fonti rinnovabili come l'eolico (connuove  fonti rinnovabili come l eolico (con parchi eolici diffusi principalmente in Sardegna e nell'Appennino meridionale), sebbene in crescita, producono ancora solo 

Variazioni percentuali fonti di energia rinnovabile in Italia. Elaborazione da dati pubblicati da GSE / Terna

, pl'1,1% della potenza elettrica richiesta. Percentuali ancora minori vengono prodotte con il solare in impianti connessi in rete o isolati

Le FONTI ENERGETICHE in ITALIANumero di impianti (2009)

Serie1

32012

2022 682 241 1

La produzione in ITALIA in termini di potenza generata

Idroelettrici Termoelettrici Eolici Fotovoltaici Geotermica

3% 0% 1%

potenza generataIdroelettrici Termoelettrici Eolici Fotovoltaici Geotermica

21%

75%

ENERGIA RICHIESTA IN ITALIA

La richiesta di potenza durante la giornata:il diagramma di CARICOil diagramma di CARICO

Si definisce diagramma di carico la curva della potenza attiva prelevata dall’utenza in funzione del tempo.

Tale curva sarà quantitativamenteTale curva sarà quantitativamentedifferente in dipendenza del periododell’anno, se la giornata è feriale ofestiva, etc.

Stima del carico di potenza, espresso in MW, i hi l i irichiesto nel giorno successivo ora per ora 

Valori relativi al 01 Luglio 2006

Tecniche di RegolazioneIn una rete elettrica è indispensabile mantenere l’equilibrio delle potenzeattive (se manca varia la frequenza), e delle potenze reattive (se mancavaria la tensione).

A tale scopo esiste un centro in cui vengono convogliati tutti i dati diproduzione e di assorbimento, e vengono predisposti gli ordini di servizioper le varie centrali, compatibilmente con il tipo di centrale, e le sueper le varie centrali, compatibilmente con il tipo di centrale, e le suepossibilità di regolazione.

In linea di massima gli impianti di produzione saranno divisi in quattrocategorie:categorie:

• Impianti inadatti alla regolazione: in servizio alla massima potenzaper 24 ore al giorno (nucleari, ad acqua fluente)

• Impianti poco adatti alla regolazione: in servizio a potenze pocodiverse nell’arco della giornata (termoelettrici a vapore)

I i ti d tti ll l i i iti di i iti l ti• Impianti adatti alla regolazione: inseriti, disinseriti e regolati apiacere nell’arco della giornata (a salto ed a pompaggio)

• Impianti per la gestione dei picchi improvvisi di potenza:p p g p p p(turbogas: hanno la possibilità di prendere carico con un preavvisominimo, se mantenuti in riserva calda, cioè in rotazione a vuoto)

La Trasmissione della Energia Elettrica

La TRASMISSIONE dell’ENERGIA ELETTRICA

In Italia i valori utilizzati per la trasmissione sono di 132, 220, 380 kV, intesi come valore della tensione concatenata In alcuni Paesi esteri a causa di distanzevalore della tensione concatenata. In alcuni Paesi esteri, a causa di distanze maggiori, talvolta si usano valori ancora maggiori (in Canada anche 765 kV)

Le rete a 380 kV è stabilmente interconnessa a livello Europeo, perché ciò migliora grandemente la stabilità, e l’affidabilità di rete (in pratica è un'unica rete di potenza pari alla somma di tutte le potenze delle reti dei vari Paesi; pertanto un eventuale perdita di un generatore è meno problematica)

Inoltre, sulle reti che connettono l’Italia con i Paesi confinanti, transita l’energia che viene acquistata dall’estero

Ovviamente l’insieme di queste reti è interconnesso in svariati punti, tramite l’impiego di opportuni trasformatori. Tali punti prendono il nome di CABINE o STAZIONI PRIMARIESTAZIONI PRIMARIE.

La TRASMISSIONE dell’ENERGIA ELETTRICAdell ENERGIA ELETTRICA

DATI ENELLinee

• 20.098 km di linee in alta tensione• 329.850 km di linee in media tensione• 706.187 km di linee in bassa tensione

Cabine• 1.906 cabine primarie con una potenza di t f i di i 86 700 MVAtrasformazione di circa 86.700 MVA

• 403.874 cabine secondarie con una potenza di trasformazione di circa 64 000potenza di trasformazione di circa 64.000 MVA

La TRASMISSIONE dell’ENERGIA ELETTRICANelle cabine primarie, di regola sono contenute tutte le apparecchiature di manovra e controllo, e possono coesistere sistemi a diversa tensione, per esempio linee a 220 e 380 kV con interconnessione, possono inoltre essere presenti svariate linee in media tensione kV con interconnessione, possono inoltre essere presenti svariate linee in media tensione per la distribuzione M.T. locale.

Le utenze più grosse (stabilimenti industriali, acciaierie, carichi comunque imponenti) p g ( q p )possono essere alimentati DIRETTAMENTE in alta tensione (fino a 220 kV). Ovviamente devono fornire certe garanzie tecniche.

Le linee di trasmissione sono di regola realizzate con elettrodotti, cioè conduttori nudi, sospesi tramite isolatori a tralicci metallici; l’utilizzo di cavi sotterranei è poco praticato sopra i 132 kV, a causa delle difficoltà tecniche e dei costi esorbitanti che comporta con il crescere della tensione. 

Le linee A.T. sono alimentate con trasformatori con avvolgimento A.T. collegato a stella, ll llcon centro stella collegato a terra.

Ad oggi, dato l’assorbimento di potenza elevato, nelle grandi città si entra con cavi sotterranei a 132 ed anche 220 kV e le cabine sono di tipo “blindato in SF6” al fine disotterranei a 132 ed anche 220 kV, e le cabine sono di tipo “blindato in SF6”, al fine di poterle realizzare negli spazi ristretti disponibili in città. Praticamente l’unica struttura appariscente risulta essere il trasformatore A.T. – M.T.

La Distribuzione della Energia Elettrica

La DISTRIBUZIONE in Media Tensione (MT)• Le linee MT: si dipartono dalle cabine secondarie, vale a dire

strutture nelle quali arriva un alimentazione AT e, tramite un trasformatore, viene prodotta la MT che alimenta le linee in uscita.

• La distribuzione MT di regola è realizzata mediante cavi nei centri abitati, ed in elettrodotto in zone rurali. I cavi MT vengono ricoperti da plastica rossa per renderli più evidenti nel caso diricoperti da plastica rossa per renderli più evidenti nel caso di operazioni di scavo.

• Ogni linea MT andrà ad alimentare o un’utenza MT (stabilimenti• Ogni linea MT andrà ad alimentare o un utenza MT (stabilimenti, grossi centri residenziali), oppure ad alimentare le cabine pubbliche MT–BT, che si possono facilmente vedere in città.

• Le linee MT sono alimentate da trasformatori connessi a triangolo, e quindi non connesse a terra in alcun punto.

La DISTRIBUZIONE in BASSA TENSIONE (BT)• Le linee MT: si dipartono dalle cabine secondarie, vale a dire

strutture nelle quali arriva un alimentazione AT e, tramite un trasformatore, viene prodotta la MT che alimenta le linee in uscita.

• La distribuzione MT di regola è realizzata mediante cavi nei centri abitati, ed in elettrodotto in zone rurali. I cavi MT vengono ricoperti da plastica rossa per renderli più evidenti nel caso diricoperti da plastica rossa per renderli più evidenti nel caso di operazioni di scavo.

• Ogni linea MT andrà ad alimentare o un’utenza MT (stabilimenti• Ogni linea MT andrà ad alimentare o un utenza MT (stabilimenti, grossi centri residenziali), oppure ad alimentare le cabine pubbliche MT–BT, che si possono facilmente vedere in città.

• Le linee MT sono alimentate da trasformatori connessi a triangolo, e quindi non connesse a terra in alcun punto.

La DISTRIBUZIONE in BTE’ presente un trasformatore MT‐BT con secondario connesso tipicamente a stella, in modo da poter alimentare un sistema di distribuzione a 4 fili, il 

l i t t i ti di f it ll’ t t (ill i i t d lquale viene portato nei punti di fornitura all’utente (illuminazione stradale, piccole industrie, esercizi commerciali, utenze domestiche)

Le linee BTmoderne sono di regola realizzate in cavo (insieme di conduttori raggruppati, ognuno isolato separatamente), che può essere posato in modi diversi:

• in canaletta murata• in canaletta interrata• sospeso con fune portante, etc.sospeso con fune portante, etc.

Per la distribuzione all’interno di impianti industriali vengono utilizzate le cosiddette blindosbarre che sono delle strutture prefabbricate in lamieracosiddette blindosbarre, che sono delle strutture prefabbricate in lamiera metallica, che contengono sbarre conduttrici nude, isolate tra loro e dalla canaletta metallica; tali strutture costituiscono moduli standardizzati (lineari, 

l i d i i i t ) tt l l li i difi diangolari, derivazioni, etc.) e permettono la veloce realizzazione e modifica di impianti di distribuzione interna.

La DISTRIBUZIONE in BT

Le norme dispongono che il colore del rivestimento isolante dei cavi di bassa tensione deve corrispondere alla funzione assegnata al cavo

• Conduttore di protezione, di terra, equipotenziale Giallo‐verde

• Conduttore di neutro Blu chiaro

• Fasi nero, marrone, grigio, biancoFasi nero, marrone, grigio, bianco

Le Linee ElettricheLe Linee Elettriche

Linee elettricheS i i d iù d i i l i h iSono costituite da più conduttori mutuamente isolati che sisviluppano parallelamente per connettere apparecchiature elettriche(generatori, trasformatori, carichi).

IMPIEGO: ‐ sistemi elettrici di potenza‐ sistemi elettrici di segnale

TIPOLOGIE:a) Numero di conduttori ‐ linee bifilari

linee unifilari‐ linee unifilari‐ linee a 3 o 4 fili

b) Isolamento‐ Linee aeree (conduttori nudi distanziati)‐ Linee in cavo (conduttori dotati di guaine isolanti)

c) Estensionic) EstensioniFino a varie centinaia di km nei grandi elettrodotti per latrasmissione dell’energia.

Linee elettriche AEREE

Linee elettriche in CAVOLinee elettriche in CAVO

Circuito equivalente LINEA MONOFASECircuito equivalente LINEA MONOFASE

Circuito equivalente a costanti concentrate

r’, l’,g’ e c’      sono i parametri per unità di lunghezza

LINEA AEREA a f=50 HzLINEA AEREA a f 50 Hz

LINEA in CAVO a f=50 Hz

Caduta di Tensione sulla LineaCaduta di Tensione sulla Linea

Caduta di Tensione sulla LineaCaduta di Tensione sulla Linea

Caduta di Tensione sulla LineaCaduta di Tensione sulla Linea

SOVRATENSIONI eSOVRATENSIONI e Dispositivi diDispositivi di ProtezioneProtezione

SOVRATENSIONISi definisce sovratensione una tensione che supera il valore di picco della massima tensione in regime permanente, presente in un impianto nelle 

di i i di i di f i tcondizioni ordinarie di funzionamento.

Le sovratensioni rappresentano la principale causa di guasto delle apparecchiature elettriche ed elettroniche nonché di interruzione dell’attività produttivaelettriche ed elettroniche, nonché di interruzione dell attività produttiva.

Gli isolamenti devono essere dimensionati in modo da offrire adeguata sicurezza anche nei confronti di eventuali sovratensioni.anche nei confronti di eventuali sovratensioni.

Conseguenze delle SOVRATENSIONI

• Cedimento dell’isolamento

F i d i d tt i• Fusione dei conduttori

• Distruzione di componenti essenzialip

• Corto circuiti che possono provocare incendi e/o esplosioniincendi e/o esplosioni

SOVRATENSIONICAUSE INTERNE (variazioni di regime)

• Manovre sugli impianti (apertura o chiusura interruttori)

• Improvvisa riduzione del caricoImprovvisa riduzione del carico

• Risonanze

• Contatti accidentali di un impianto con un altro a tensione di i i idi esercizio maggiore

SOVRATENSIONICAUSE ESTERNECAUSE ESTERNE

• Fenomeni di origine atmosferica (fulminazioni dirette e indirette)

( ) ( ) ( )[ ]fe TtTtIti −−−= expexp0

I0 = 10‐200 kA

Tf = 0.5 – 1.5 μs

Te = 50‐100 μs

IL FULMINEFULMINE DISCENDENTE ( l ità ti )FULMINE DISCENDENTE (polarità negativa)

leader Return stroke

FULMINE ASCENDENTE (polarità negativa)

leaderReturn stroke

SOVRATENSIONIFulminazione diretta

Fulminazione indiretta

Fulminazioni dirette ed indirette

Fulminazione direttadi un elettrodotto

Fulminazione indirettadi un elettrodotto

Dispositivi di Protezione dalle SOVRATENSIONI

• SCARICATORI AD ASTA (Spinterometri)SOVRATENSIONI

Quando il campo elettrico supera la rigidità dielettrica dell’aria si verifica nQuando il campo elettrico supera la rigidità dielettrica dell aria, si verifica n arco tra le punte dell’asta che costituisce la via preferenziale attraverso cui siscarica la sovratensione

Linea aerea 220 kV con isolatori di sospensione in vetro

56

Dispositivi di Protezione dalle SOVRATENSIONI

• SCARICATORI AD OSSIDO DI ZINCO (Varistori)

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

SCARICATORI

elettrodi

conduttore in tensione

conduttore in tensione

elettrodi spinterometrici

Resistore li

corpo isolante

elettrodi spinterometricicorpo 

isolantenonlineare

● Nella versione spinterometrica, sono costituiti da due elettrodi affacciati posti ad una certa distanza: uno di essi fa capo alla linea da proteggere mentre l’altro è collegato direttamente a terra. 

● Quando la tensione di linea supera la rigidità dielettrica dell’aria interposta fra gli elettrodi, si verifica un arco elettrico, che costituisce la via preferenziale attraverso la 

l i i l t i l di t f l t di d d l l d llquale si scarica la sovratensione: la distanza fra le punte dipende dal valore della tensione per la quale si desidera che avvenga l’innesco dell’arco.

● Gli scaricatori a resistenza non lineare sono realizzati ponendo in serie uno scaricatore spinterometrico con una resistenza non lineare allo scopo di mantenerescaricatore spinterometrico con una resistenza non lineare allo scopo di mantenere praticamente costante la tensione ai capi della protezione. 

Dispositivi di Protezione dalle SOVRATENSIONI

• Esempio di SCARICATORI AD OSSIDO DI ZINCO (Varistori)

SOVRATENSIONI

(Varistori)

v(t)

Condizione normale di funzionamento:

v(t)

v(t)

Circuito aperto –impedenza molto elevatav(t) pede a o to e e ata

In presenza di sovratensione:

v(t)

SOVRACORRENTI e 

Dispositivi di Manovra e Interruzione

SOVRACORRENTISi ha sovracorrente quando la corrente assorbita da un carico (e quindi la potenza) supera quella che puòcarico (e quindi la potenza) supera quella che può essere fornita e sopportata dalla linea. 

Le sovracorrenti possono essere derivare da:Le sovracorrenti possono essere derivare da:

• 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)dei motori asincroni in fase di avviamento)

• CORTO CIRCUITOC t tt t d l ti d ll’i i t i t i li– 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 guastoquanto limitate solo dall impedenza a monte del guasto.

APPARECCHI DI MANOVRA E INTERRUZIONELa gestione e la sicurezza di una rete elettrica è affidata a queste apparecchiature che devono provvedere a:

1) Realizzare manovre richieste dalle esigenze dell’utenza in condizioni di esercizio ordinario

2) Far fronte in maniera automatica ad anomalie di funzionamento che possono 

1) INTERRUTTORI

) pcostituire pericolo per le cose o persone

1) INTERRUTTORI

M li x– Manuali

– Automatici

x

xAutomatici

Apertura e chiusura di una linea sottocarico anche in condizioni di corto circuito

x

INTERRUTTORI

● Nella posizione di interruttore chiuso l’elettrodo mobile è pressato contro 

Un interruttore è generalmente realizzato mediante due elettrodi: uno fisso ed uno mobile.

l’elettrodo fisso.● Nella posizione di interruttore aperto l’elettrodo mobile è separato dall’elettrodo 

fisso da uno spessore di materiale isolante

Durante il processo di apertura dell’interruttore, al momento del distacco dell’elettrodo mobile da quello fisso, nasce un arco elettrico (E = V/d > K = rigidità dielettrica del materiale isolante) che si estingue prima che l’elettrodo mobile abbiadielettrica del materiale isolante) che si estingue prima che l elettrodo mobile abbia raggiunto la posizione di fine corsa, corrispondente allo stato di interruttore aperto.

Esempio di i t ttinterruttore in olio per 

MT

CARATTERISTICHE DEGLI INTERRUTTORI

TIPI DI INTERRUTTORI

● Interruttori in olio● Interruttori ad aria compressa● Interruttori ad esafluoruro di zolfo (SF6)( 6)● Interruttori in aria a deionizzazione magnetica (DEION)● Interruttori sotto vuoto

PRINCIPALI CARATTERISTICHE FUNZIONALI DEGLI INTERRUTTORI

● Tensione nominale: tensione che l’interruttore è in grado di sostenere indefinitamente nella posizione di interruttore aperto.

● Corrente nominale: corrente che l’interruttore è in grado di sostenere indefinitamente nella posizione di interruttore chiuso.

d ( l ff● Potere di interruzione: massima corrente (valore efficace se in corrente alternata) che l’interruttore è in grado di interrompere

2) CONTATTORI

– ManualiInterruzione delle sole correnti di 

– Automaticinormale esercizio

3) SEZIONATORI

– Manuali

A t ti i

Interruzione della continuità elettrica in linee a vuoto (I=0)

– AutomaticiN.B. Nella fase di interruzione del circuito si apre prima l’interruttore e poi il sezionatore.

3) SEZIONATORI

I sezionatori sono destinati ad interrompere la continuità elettrica per le sole linee a vuoto. 

Pertanto sono sempre inseriti a monte e a valle di un interruttore. I loro contatti, spesso del tipo a coltello, sono generalmente visibili e forniscono, in tal modo, una sorta di assicurazione visiva sullo stato di apertura della linea. 

circuito aperto

chiusura sezionatori

chiusura interruttore

apertura interruttore

apertura sezionatori

4) FUSIBILIDispositivo di protezione dalle sovracorrenti: interrompe correnti di corto circuito elevate.

E’ costituito da un filo in lega metallica a basso punto di fusione

4) FUSIBILI

(a) (b)(a) (b)

I fusibili sono i più semplici dispositivi di protezione contro le sovracorrenti. Sono costituiti essenzialmente da un corto conduttore in lega a basso punto di fusione alloggiato entro un apposito contenitore. Il simbolo del fusibile è riportato in figura (a); il simbolo di figura (b) si riferisce invece al fusibile dotato di indicazione a tratto spesso dell’estremo che rimane in tensione dopo l’intervento.

Dopo l’intervento, il fusibile va sostituito per ristabilire la connessione elettrica d ll’i i tdell’impianto.

I fusibili vengono sempre inseriti a monte dell’impianto seguiti da un interruttore automatico Il tempo di intervento dei due dispositivi viene scelto in modo cheautomatico. Il tempo di intervento dei due dispositivi viene scelto in modo che, normalmente, la protezione venga garantita dall’interruttore automatico e quindi sia possibile, ad eliminazione del guasto avvenuta, procedere al ristabilimento delle condizioni operative dell’impianto mediante la semplice chiusura dell’interruttorecondizioni operative dell impianto mediante la semplice chiusura dell interruttore

RELE’Il rele’ è un dispositivo che serve per azionare gli interruttoriIl rele è un dispositivo che serve per azionare gli interruttori.

• CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLA GRANDEZZA ALLA QUALE SONO SENSIBILI:Voltmetrici– Voltmetrici

– Amperometrici– Wattmetrici– Frequenzimetrici– Ad impedenza– Termici– Tachimetrici

• CLASSIFICAZIONE IN BASE AL PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO:– Elettromagneticig– Elettrodinamici– Ad induzione

• CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLA GRANDEZZA DA ANALIZZARE:• CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLA GRANDEZZA DA ANALIZZARE:– Di massima– Di minima

Diff i l– Differenziale

RELÈ MAGNETICOT

Caratteristica di intervento

IC

M

A

FEM

Tempo

Zona di intervento

CEM FM Tin

intervento

Il relè magnetico è costituito da un nucleo di materiale ferromagnetico diviso in una

CorrenteIs = 8‐10 InIl relè magnetico è costituito da un nucleo di materiale ferromagnetico diviso in una parte fissa (EM) ed una parte mobile (A). La parte mobile è tenuta in posizione da una forza di natura magnetica (FEM), proporzionale alla corrente I, ed una forza di natura meccanica dovuta alla molla M● Ad ogni valore della corrente I corrisponde una posizione di equilibrio della parte 

mobile, tanto più prossima alla parte fissa quanto più elevato è il valore della corrente

meccanica, dovuta alla molla M.

corrente.● Quando la corrente raggiunge il valore di intervento, la posizione di equilibrio 

della parte mobile fa sì che venga attivato il meccanismo di apertura dell’interruttore.dell interruttore.

● Il tempo di intervento è molto breve, praticamente indipendente dal valore della corrente.

RELÈ TERMICOCaratteristica di intervento

Tempo

Zona diZona di intervento

5 sec

Il relè termico è costituito da una lamina bimetallicaI 5 sec = 4 In

Corrente

Il relè termico è costituito da una lamina bimetallica.● Ad ogni valore della corrente I corrisponde un valore della temperatura di regime della 

lamina, tanto più alto quanto più elevato è il valore della corrente.● Tanto più alta è la temperatura della lamina tanto maggiore è la curvatura della stessa● Tanto più alta è la temperatura della lamina, tanto maggiore è la curvatura della stessa, 

dovuta al diverso valore del coefficiente di dilatazione termica dei metalli costituenti.● Quando la temperatura raggiunge il valore di intervento, la curvatura della lamina fa sì 

che venga attivato il meccanismo di apertura dell’interruttoreche venga attivato il meccanismo di apertura dell interruttore.● Il tempo di intervento è tanto più breve quanto più alta è la sovracorrente.

RELÈ MAGNETO‐TERMICOIl lè t t i è tit it d lè ti d lè t i l iIl relè magneto‐termico è costituito da un relè magnetico ed un relè termico le cui correnti di intervento sono coordinate in modo che:

Caratteristica di intervento

2) il relè magnetico interviene rapidamente

Tempo Zona di intervento

Termico Magneticointerviene rapidamente solo in caso di sovracorrenti di elevata intensità (15‐20 volteintensità (15 20 volte quella nominale), sicuramente dovute a corto‐circuiti presenti 

Tinp

nell’impianto.

CorrenteIs = 8‐10 In

1) Il relè termico interviene con un tempo di intervento inversamente proporzionale alla intensità della sovracorrente in caso di sovracorrenti di modesta entitàalla intensità della sovracorrente in caso di sovracorrenti di modesta entità (sovraccarichi) che possono anche essere dovute a “normali” transitori dell’impianto.

OSSERVAZIONE:OSSERVAZIONE:I relè magnetico, termico, magnetotermico intervengono SEMPRE per corrente SUPERIORE alla corrente nominale dell’impianto (daper corrente SUPERIORE alla corrente nominale dell’impianto (da 4 ad 8‐10 volte).

Ad i i ’ d i i l di 15Ad 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 !

Per proteggere l’uomo si usa ilPer proteggere l uomo si usa il

RELE’ DIFFERENZIALE

RELE’ DIFFERENZIALE (salvavita)

Corrente di intervento molto minore alla corrente nominale dell’impianto:Corrente di intervento molto minore alla corrente nominale dell impianto:

IMPIANTI INDUSTRIALI:    IΔ = 300 mA

UTENZE DOMESTICHE: IΔ = 30 maUTENZE DOMESTICHE:        IΔ = 30 ma

UTENZE PARTICOLARI:        IΔ = 10 ma

ELEMENTIELEMENTI didi 

SICUREZZA ELETTRICASICUREZZA ELETTRICA

EFFETTI DELLA CORRENTE ELETTRICA SUL CORPO UMANOSUL CORPO UMANO

La corrente elettrica, attraversando il corpo umano, produce effetti che possono essere dannosi, fino a portare alla morte, a seconda del valore della intensità della corrente, della frequenza e del tempo di contatto.

Comunque sia il tipo di contatto elettrico, il corpo umano, o animale in genere, subisce il fenomeno dello shock elettrico, più semplicemente detto elettrocuzione o folgorazione, cioè risulta essere sottoposto al passaggio della corrente elettrica che da luogo a fenomeni elettrofisiologici variabili le cui conseguenze 

lt h l t li fi ll tpossono essere a volte anche letali fino alla morte.

In Italia muoiono per infortuni elettrici centinaia di persone l'anno e il caso più ricorrente è proprio il contatto diretto, rappresentante ben due terzi del totale, particolarmente su prese a spina e condutture. In altre parole, l’uomo, in presenza di contatto elettrico diretto o indiretto, risulta essere parte integrante dell’impianto elettrico e come tale offre una propria resistenza elettrica, sottoposta ad una certa differenza di potenziale (tensione di contatto) e attraversato da una certa corrente.

Contatti diretti e indirettiContatto DIRETTO Contatto INDIRETTOContatto DIRETTO Contatto INDIRETTO

Contatto diretto: contatto con parti metalliche normalmente in tensione. Tale pcontatto generalmente risulta non intenzionale ma non è da escludere, a volte, la volontarietà da parte di persone non professionalmente addestrate o competenti in materia.

Contatto indiretto: contatto con parti normalmente non in tensione ma che possono, in caso di guasto o cedimento dell'isolamento, trovarsi in tensione; è il tipico caso dell'involucro metallico di un elettrodomestico o dell'impugnatura di un untensileelettrico portatile, ecc. Per il contatto indiretto non ha alcunsenso parlare di volontarietà da parte di un mal capitato.

Effetti Fisiopatologici della corrente

La corrente elettrica, attraversando il corpo umano, produce effetti che possono d i fi t ll t d d l l d ll i t itàessere dannosi, fino a portare alla morte, a seconda del valore della intensità 

della corrente, della frequenza e del tempo di contatto:

T t i i d i li i li ( h lli h i d ll● Tetanizzazione dei muscoli: i muscoli (anche quelli che presiedono alla respirazione)  rimangono contratti, indipendentemente dalla volontà della persona.

● Fibrillazione ventricolare: il cuore perde la sua capacità di contrarsi ritmicamente e non è più in grado di assicurare la circolazione sanguigna.

● Ustioni: il passaggio della corrente elettrica produce dissipazione di energia per effetto Joule e conseguente incremento della temperatura. Le 

i i d i l i l d i iustioni prodotte risultano particolarmente dannose in quanto interessano anche i tessuti interni del corpo

CURVA DI SICUREZZA CORRENTE‐TEMPOCurva di sicurezza della corrente elettrica in regime di corrente alternata con una frequenza compresa tra 15 e 100 Hz

● Zona 1 ‐ Se la corrente (valore efficace) è inferiore alla soglia di percezione (0.5 A) il f i it frequenza compresa tra 15 e 100 Hz.mA) il fenomeno non viene percepito

● Zona 2 ‐ Se la corrente è inferiore alla soglia di tetanizzazione (10 mA) lasoglia di tetanizzazione (10 mA) la persona riesce a sottrarsi volontariamente al contatto senza conseguenze evitando effetti dannosiconseguenze evitando effetti dannosi.

● Zona 3 ‐ Se la corrente supera la soglia di tetanizzazione il contatto deve esseretetanizzazione il contatto deve essere interrotto da un dispositivo esterno prima di un tempo limite, individuato dalla curva di sicurezza, affinchè la ,persona non abbia conseguenze (tetanizzazione e disturbi reversibili al cuore, aumento della pressione 

Z 4 i ò i ll fib ill isanguigna, difficoltà respiratorie). ● Zona 4 – si può arrivare alla fibrillazione ventricolare e alle ustioni.

La resistenza del corpo umanoL i t l tt i ff t d l l i d ll t l tt iLa resistenza elettrica offerta dal corpo umano, al passaggio della corrente elettrica, dipende dal tipo di contatto e da una serie di altri fattori quali:

• Condizioni fisiche generali• Condizioni fisiche generali• Abbigliamento• Callosità delle mani• UmiditàUmidità• ….

Ruomo=1÷5 kΩ Resistenza corpo umano

Valore medio: Ruomo= 3 kΩ

Tensioni pericolose: V>45 V

IMPIANTO DI TERRA

SCOPO DELL’IMPIANTO DI TERRA:

) Off i i di i ll i di di d ll ff d l1) 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.

IMPIANTO DI TERRADispersore di terra

Resistenza

di terra

Tensione di passoTensione che può risultare applicata tra i piedi di una persona a distanza 

di un passo durante  (1 m) un cedimento dell’isolamentodi un passo durante ( m) un cedimento dell isolamento

Tempo eliminazione del guasto [s] Tensione massima di passo [V]> 2 50

1 701 70

0.8 80

0.7 85

0 6 1250.6 125

< 0.5 160

Classificazione dei sistemi di distribuzione dell’energia elettrica

In ITALIA:

Sistema TT

Si hanno correnti di guasto a terra dell'ordine di qualche ampere, o, al massimo,  di qualche decina di ampere. 

Il sistema TT è inoltre caratterizzato dal pericolo che il neutro vada in tensione sia per guasti in cabina che per effetto di tutte le correnti di dispersione delle utenze servite.

SICUREZZA ELETTRICA NEGLI IMPIANTI DIDISTRIBUZIONE DELLA ENERGIA ELETTRICA IN BT

123na)

123nb)na) n)

igig

● La distribuzione della energia elettrica in BT viene fatta mediante linee elettriche trifase ( ) l f l ll(Vc = 380 V) col filo neutro collegato a terra.

● Si definisce massa ogni conduttore, accessibile dalle persone, che è separato dai conduttori attivi dall’isolamento principale e che quindi normalmente non è in tensione i tt l t i t i d i l’i l t i i lrispetto al terreno, ma va in tensione quando si rompe l’isolamento principale.

● Il contatto di una persona con un conduttore in tensione, con conseguente elettrocuzione,  può avvenire, con una massa, in presenza della rottura dell’isolamento principale (contatto indiretto figura a) o direttamente con i conduttori attivi (contattoprincipale (contatto indiretto, figura a) o direttamente con i conduttori attivi (contatto diretto, figura b)

Contatto indiretto con massa non a terra

Contatto indiretto con massa a terra

PROTEZIONE DAI CONTATTI INDIRETTI:12

ig23n

+‐

i

RP

R3cV

relè differenziale

iP

RPT

RT

RNiT

i iTigig iT

iP

RP = resistenza della personaRPT = resistenza di terra della personaRN = resistenza di terra del neutro

La protezione dai contatti indiretti, secondo la norma CEI 64‐8, si realizza mediante:

● RP ed RPT dipendono dalla persona

● Installazione di un interruttore differenziale con corrente di intervento differenziale non superiore a 30 mA.

● Collegamento a terra di tutte le masse del sistema.● Coordinamento dei valori della resistenza di terra e della corrente di intervento

differenziale dell’interruttore.