Appunti Sistemi Elettrici per l'Energia

Sistemi elettrici per l’energia

Appunti a cura di Guerrera Alessandro

e2 La rete di trasmissione subtrasmissione nazionale

Indice

• La rete di trasmissione e subtrasmissione nazionale ................................................................................ 3
• Esempio flussi paralleli (unscheduled fluxes) ............................................................................................ 8
• Apparecchiatura AT di stazione ............................................................................................................ 10
• Schemi di stazione ................................................................................................................................... 10
• Organi di manovra ................................................................................................................................... 14
• Apparati di misura ................................................................................................................................... 23
• Scaricatori di sovratensione (Surge Arrester) .......................................................................................... 27
• Trasformatori e autotrasformatori .......................................................................................................... 29
• Dispositivi di compensazione .................................................................................................................. 30
• Protezioni di linea .................................................................................................................................... 34
• Cavi di alta tensione ............................................................................................................................. 44
• Struttura del cavo ........................................................................................................................................ 44
• Cavo terrestre .......................................................................................................................................... 44
• Cavo sottomarino .................................................................................................................................... 46
• Collegamento a terra ................................................................................................................................... 47
• Solid Bonding ........................................................................................................................................... 47
• Sectionalized Cross Bonding .................................................................................................................... 47
• Richiami sulla corrente alternata .......................................................................................................... 49
• Bilancio reattivo di una linea ....................................................................................................................... 49
• Valutazione dei limiti alla potenza trasmissibile: le curve di “loadability” ............................................. 52
• La compensazione serie e derivata ............................................................................................................. 53
• Compensazione distribuita ...................................................................................................................... 54
• Compensazione concentrata ................................................................................................................... 56
• Limiti della compensazione derivata e gradi di compensazione critici ................................................... 62
• Compensazione derivata dei cavi di alta tensione: limiti di lunghezza ed esercizio ............................... 73
• La stabilità di tensione ......................................................................................................................... 83
• Classificazione delle perturbazioni .............................................................................................................. 84
• Valutazione della potenza massima trasmissibile ....................................................................................... 84
• Caso senza perdite ................................................................................................................................... 88
• VCPI .............................................................................................................................................................. 90
• Limite alla compensazione capacitiva ......................................................................................................... 91
• Ripristino dei carichi .................................................................................................................................... 92
• Regolazione della tensione .......................................................................................................................... 92

eLa rete di trasmissione subtrasmissione nazionale 3

• La matrice delle impedenze ............................................................................................................... 94
• Modifica della matrice ............................................................................................................................. 98
• HVDC – High Voltage Direct Current Electric Power Transmission System ............................................ 103
• Generalità .................................................................................................................................................. 103
• Componenti dei sistemi LCC ...................................................................................................................... 109
• Trasformatori ......................................................................................................................................... 109
• Valvole ................................................................................................................................................... 112
• Bobina di spianamento ......................................................................................................................... 113
• Filtri di armoniche AC ............................................................................................................................ 113
• Conduttore di ritorno ............................................................................................................................ 120
• Organi di misura .................................................................................................................................... 122
• Richiami sulla conversione statica con sistemi LCC ................................................................................... 122
• Controllo della trasmissione LCC ............................................................................................................... 126
• Regime permanente .............................................................................................................................. 126
• Obbiettivi generali del controllo ............................................................................................................ 127
• Mezzi di regolazione .............................................................................................................................. 128
• Caratteristiche di controllo .................................................................................................................... 128
• Limiti di corrente ................................................................................................................................... 132
• Esempio di applicazione ............................................................................................................................ 134

La rete di trasmissione e subtrasmissione nazionale

e4 La rete di trasmissione subtrasmissione nazionale eLa rete di trasmissione subtrasmissione nazionale 5

La rete a 220 kV è più concentrata al Nord, quella a 132 kV nel centro Italia e il 150 kV nel Sud Italia.

e6 La rete di trasmissione subtrasmissione nazionale

I livelli di tensione massimi e nominali normalizzati principalmente utilizzati nel mondo sono riportati in tabella: DE, AU, NORD US UK EX ITALIA RUSSIA, EAST USA, EUROPA URSS CANADA, WEST BRA, SUDKUSA[] 123 300 362 420 245 170 145 550 765 [] 110 275 330 380 220 150 132 500 [] 115 345 400 525, Generalmente si riferisce al valore della tensione massima di funzionamento per determinare la taglia dei componenti della rete.

La rete di trasmissione nazionale conta 800 nodi di altissima tensione, su 10000 della rete europea di cui fa parte, insieme alle reti di altri 42 TSO di altre 32 nazioni costituenti il network degli operatori di rete europeo (ENTSO-E). Esistono ad oggi 15 linee che ci interfacciano con l’estero.

eLa rete di trasmissione subtrasmissione nazionale 7

La rete di trasmissione è di tipo magliato e esercita magliata (lunghezza media delle linee 80 km), con tutti gli interruttori di linea chiusi. Essa alimenta attraverso degli autotrasformatori (ATR) 400/230 kV – 400 MVA oppure 400/155 kV – 250 MVA o ancora 400/135 kV – 250 MVA con variatore di rapporto e neutro connesso francamente a terra (per contribuire alla messa a terra efficace del neutro) la rete di subtrasmissione. La rete a 220 kV viene perciò utilizzata a livello di subtrasmissione più che trasmissione; viene utilizzata per la trasmissione qualora non ho a disposizione il 400 kV.

La taglia dell’ATR (che è normalizzata) determina la potenza che riesce ad erogare all’isola a valle di esso (50% del carico massimo). In trasmissione si attua il criterio della sicurezza n-1, per cui si rende il sistema ridondante per sopperire a qualsiasi perdita di un singolo elemento in modo da continuare ad alimentare il carico in caso di un guasto. Perciò ogni nodo AAT non è mai alimentato da una sola linea e una rete di subtrasmissione non è mai alimentata da un solo ATR. Come detto gli ATR alimentano la rete di subtrasmissione che trasporta l’energia a livello regionale alle cabine primarie AT/MT. Il punto debole delle reti di sub sono gli ATR, soprattutto perché provvisti di variatore. Essi possono essere caricati continuativamente soltanto sotto al 50% della potenza nominale perché in caso di perdita di una unità devono poter sopperire alla richiesta del carico di tutta la sbarra AT (si chiude il congiuntore di sbarra).

Per scongiurare situazioni critiche ogni 5 minuti viene fatto il load-flow sulla rete di trasmissione simulando volta per volta singole contingenze e verificando i limiti di tensione e corrente su tutti i componenti.

Attraverso uno schema entra-esci le linee di subtrasmissione alimentano le cabine primarie, che effettuano la trasformazione AT/MT attraverso trasformatori tradizionali con primario a triangolo (abbatte l’impedenza omopolare lato AT e isola la rete omopolare AT da quella MT) e secondario tipicamente a stella con neutro compensato (bobina di Petersen + resistenza, per annullare le correnti di guasto nel punto di guasto delle reti MT migliorando la continuità di esercizio) con variatore di rapporto (è l’elemento più a valle che permette la regolazione della tensione). Ogni cabina primaria fornisce energia per decine di migliaia di persone. Lo schema entra-esci garantisce una magliatura elementare con una sicurezza n-1, poiché ogni CP è collegata all’altra o alla stazione AT/AAT da linee indipendenti, ossia provviste di organi di manovra a inizio e fine linea. In caso di guasto su una linea che alimenta la CP, questa può essere eliminata dal servizio agendo sugli interruttori e la cabina può essere alimentata al rovescio dall’altra stazione AT/AAT. Nessun carico è disalimentato per guasto in linea in AAT/AT; la situazione più critica si ha invece per guasto su sbarra (devo movimentare molti interruttori ma comunque posso perdere il carico per guasto su sbarra lato alta).

Da ogni cabina primaria origina una o più reti MT, ognuna collegata ad una sbarra alimentata da un singolo TR ma con la possibilità di congiungere le sbarre (ad ogni semisbarra è associata una rete di distribuzione MT). Le reti MT sono perciò di tipo magliato (o almeno verso questa tipologia si tende) ma esercite radialmente tenendo aperto un congiuntore generalmente a metà linea. Una linea MT parte tipicamente dalla sbarra MT di una CP e arriva alla sbarra MT di un’altra cabina primaria alimentando nel tragitto un certo numero di cabine secondarie attraverso il solito schema entra-esci. La suddivisione in tronconi delle linee MT permette, oltre ad alimentare le CS a rovescio in caso di guasto su una linea MT, anche una facile individuazione del guasto attraverso delle semplici sequenze sugli interruttori di manovra-sezionatori (IMS) che collegano i tronconi.

Dalla sbarra MT della CS in poi generalmente non ho più ridondanze (le CS in Italia sono più di 400 000) per cui le contingenze diventano più frequenti ma i danni risultano relativamente bassi. Dalle CS nascono le reti pubbliche di distribuzione BT, con natura radiale ed esercizio radiale.

Il motivo per cui si cerca di non esercire magliate le linee MT è dovuto ai flussi di potenza indesiderati che possono verificarsi tra sbarre MT a diversa tensione o separazione angolare. In più essendo per lo più linee in cavo risulterebbe difficile l’individuazione del guasto.

e8 La rete di trasmissione subtrasmissione nazionale

Esempio flussi paralleli (unscheduled fluxes)

Questo fenomeno determina il caricamento di uno dei due trasformatori che alimenta l’isola e lo =12,5% scaricamento dell’altro. Ipotizziamo due ATR da 250 MVA, 400/135 kV, che alimentano 3 linee % = 0,4 /a 135 kV in parallelo con reattanza lunghe 80 km ciascuna. La stazione di sinistra ha una tensione in anticipo rispetto alla tensione della stazione di destra. 12 = · = · = 640 ·

Gli autotrasformatori contribuiscono lato 400 kV con una reattanza % %0,125 = 80 . = 33 Ciascuna linea a 135 kV ha una reattanza di e quindi insieme contribuiscono con 2 = 11 . = 2 · + ≍ 260 ,

In totale lato 400 si hanno che è proprio la reattanza che va a limitare i flussi paralleli (equivale a 1000 km di linea a 400 kV). Considerando lato 400 kV 100 km di linea = 0,27 → = 26 )( si ottiene una ripartizione delle potenze: 400 400 260 10 = = =400 + 286 11 400 26 1400 = = =135 + 286 11 400

Perciò le potenze si ripartiscono in maniera inversamente proporzionale alle reattanze. Se ho 1000 MW che viaggiano dalla sbarra in anticipo a quella in ritardo sulla rete a 400 kV ho circa 100 MW sulla rete di subtrasmissione con lo stesso verso. Questo significa che se ognun trasformatore forniva 125 MW alla rete di sub ora quello della sbarra in anticipo sarà più caricato (225 MW) mentre quello della sbarra in ritardo sarà = 250 ), scaricato (25 MW). In questo caso ho una situazione non pericolosa ( ma può diventarlo in 2 ̇ = caso di perdita del collegamento a 400 kV (all’aumentare della potenza diminuisce). Inoltre, data la tendenza a cavificare le linee di subtrasmissione la reattanza si abbassa ulteriormente (da Ω Ω0,4 0,11 ). È perciò importante valutare i flussi paralleli nel caso di modifica o potenziamento della rete.

eLa rete di trasmissione subtrasmissione nazionale 9

NOTA: dato che non conosco a priori la ripartizione del carico tra i due ATR non è corretto approssimare il carico a valle delle stazioni AAT e AT come dei carichi (P,Q). L’approssimazione è invece eccellente per le cabine primarie, dove i trasformatori variano le prese per mantenere costante la tensione lato MT e quindi impongono al carico un funzionamento a P e Q costante. Perciò qualora sia possibile meglio simulare trasmissione e subtrasmissione insieme, approssimando le cabine primarie come carichi (P,Q).

Apparecchiatura AT di stazione

10 Apparecchiatura AT di stazione

Schemi di stazione

Esempio di schema di una cabina primaria: Apparecchiatura AT di stazione 11

Planimetria di stazione:

Configurazioni di stazione:

1. A semplice sbarra
2. A doppia sbarra

12 Apparecchiatura AT di stazione

A semplice sbarra

• Di più semplice concezione ma minore elasticità e sicurezza (adatto per stazioni minori e con pochi stalli), sistema tipico per le CP;
• Nel caso di manutenzione è necessario interrompere il servizio di singoli montanti o dell’intera stazione. L’elasticità dello schema è aumentata se si aggiungono più sezionatori di sbarra;
• Un guasto su sbarra mi può far perdere l’intera stazione;
• = 1). Si hanno tanti interruttori quanti sono i montanti (

A doppia sbarra

• − 1), È lo schema più diffuso in trasmissione (sicurezza per le sue caratteristiche di elasticità e semplicità;
• Prevede la possibilità di fare servizi separati per esigenze di esercizio;
• Un guasto su sbarra mi fa perdere mezza stazione;
• Se un interruttore di linea si guasta si può utilizzare come riserva quello di parallelo sbarre.
• = ( + 1)/. Numero di interruttori per montante:

Si cerca sempre di evitare qualsiasi sovrappasso sulle sbarre, in modo da evitare guasti per cedimento di componenti. Quindi tutti i montati si troveranno al di sotto di esse.

Le sbarre possono sostenere sollecitazioni sismiche quindi i guasti su sbarra sono poco probabili; il guasto in stazione è associato ai componenti ad essa connesso.

Montante linea

Apparecchiatura AT di stazione 13

In ordine di collocazione si ha, a partire dall’arrivo della linea verso le sba