Elementi di impianti e centrali elettriche

Elementi di impianti e centrali elettriche

Sistema di produzione, trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica

Produzione di energia elettrica

Energia di prima specie che può essere trasportata a grande distanza e in grande quantità con rendimenti elevati.

Energia elettrica: viene ottenuta da da altri tipi di energia negli impianti di conversione chiamati centrali elettriche.

Nel passato la produzione era concentrata in centrali di grande potenza connesse alla rete di trasmissione ad AAT/AT.

Oggi, sono presenti anche centrali di media e piccola taglia che sfruttano energia rinnovabile e sono connesse alla rete di MT e BT realizzando una produzione distribuita.

L’energia elettrica viene prodotta nelle centrali di grande potenza in corrente alternata da generatori sincroni trifase accoppiati a motori primi, turbine, in MT.

Per essere trasmessa a grande distanza viene trasformata in AAT/AT dai trasformatori elevatori di centrale. L’alto livello di tensione della rete AAT viene richiesto per poter contenere, a pari potenza, le correnti e quindi le cadute di tensione.

La rete di AAT consegna l’energia elettrica nelle stazioni di AAT/AT alle reti di subtrasmissione ad AT che alimentano a loro volta grandi utilizzatori industriali e le reti di distribuzione pubblica a MT attraverso le cambi e primarie AT/MT.

Il sistema di trasmissione è anche collegato con sistemi elettrici di paesi confinanti attraverso linee di interconnessione AAT/AT.

• Centrali MT (3-30 kV).
• Trasformatori elevatori di centrale.
• Rete di trasmissione AAT (400 kV).
• Auto-trasformatori.
• Rete di subtrasmissione AT (120-150 kV).
• Cabine primarie AT-MT.
• Rete di distribuzione MT (20 kV).
• Cabine secondarie MT-BT.
• Rete di distribuzione BT (400 V).
• Utenze civili.
• Terziario.
• Utenze industriali.

Le reti alimentano:

• MT utenze industriali che assorbono potenza fino a una decina di MW.
• Reti di distribuzione pubblica a BT attraverso cabine MT/BT dette cabine secondarie.
• BT utenze civili.
• Terziario.
• Piccoli impianti industriali con potenze richieste fino a 100÷200 kW.

Sistema elettrico di trasmissione e distribuzione dell'energia elettrica

Il sistema elettrico di trasmissione e distribuzione è l’insieme di tutte le reti a diversi livelli di tensione, collegate tra loro attraverso trasformatori e autotrasformatori, che permette alla potenza elettrica generata nelle centrali di potenza raggiungere le utenze finali sia in BT sia in MT e AT.

Le centrali elettriche vengono installate in luoghi ben definiti, la cui scelta è soggetta a vincoli di diverso tipo e ciò comporta che non siano sempre prossime ai centri di carico, per alimentare i quali occorre trasportare e distribuire l’energia elettrica prodotta nelle centrali attraverso il sistema elettrico di trasmissione e distribuzione.

Rete di trasmissione AAT

AAT a maglie.

Rete di trasmissione: linee elettriche aeree.

Livello nazionale.

Tensione elevata perché la potenza da trasmettere è quella apparente che in un sistema sinusoidale trifase simmetrico equilibrato vale:

N 3EI=

Aumentando la tensione, a parità di potenza, si riduce la corrente.

Con 20 kV, tensione di centrale, si avrebbero correnti troppo elevate e quindi anche cadute di tensione ingenti con perdite per effetto Joule elevate. Allora, conviene alzare la tensione con i trasformatori elevatori di centrale fino a 400 kV con cui si alimenta la rete di trasmissione nazionale.

Rete di subtrasmissione AT

AT radiale, ad anello, ad isola o debolmente magliato.

Rete di subtrasmissione: linee elettriche per lo più aeree.

Livello regionale.

Tra le reti di trasmissione e di subtrasmissione ci sono degli autotrasformatori con rapporti di trasmissione massimo 2÷3.

Rete di distribuzione MT e BT

MT e BT radiale, ad anello, magliata o a doppia alimentazione.

Rete di distribuzione: linee aeree nelle zone rurali o in cavo.

• A maglia alimentazione da più punti.
• A doppia alimentazione linee di MT tra due di AT o linee BT tra due MT.
• Ad anello o radiali alimentazione da un solo punto.
• Ad isola per carichi singoli.

Con una rete magliata si ha maggiore continuità di servizio: se c’è un guasto i carichi possono essere alimentati da altri punti, però l’esercizio e la protezione sono più complicati.

Con una rete radiale si ha maggiore semplicità di esercizio e protezione, ma non si garantisce continuità di esercizio.

Costo di produzione del kWh

Per valutare il costo del kWh dobbiamo tenere conto di tre indici:

• Tensione.
• Frequenza.
• Continuità dell’alimentazione.

Abbiamo due tipi costo di cui tenere conto:

• Costo di costruzione.
• Costo dei combustibili, solo per fonti non rinnovabili.

In realtà, bisognerebbe considerare anche i costi di manutenzione, del personale, delle assicurazioni, concessioni, sostituzioni, smantellamento della centrale, ecc.

Dato il costo del kW installato per un determinato tipo di impianto, si può calcolare il costo complessivo dell’investimento nota la potenza nominale.

Costo di costruzione [Ew] [kW].

Capitale E=2](kWi.Pr== =

Il costo annuo dell’investimento può essere calcolato considerando l’ammortamento, quota annua da restituire, noto il tasso di interesse per n anni:

i [anno) capitale tor=CkwiPn, =

Costo del kg di combustibile per energia annualmente prodotta.

Costo dei combustibili *, 860=[rg] [rg][ann] Crgc.Ccomb= [ri) [anno)-

Per produrre energia elettrica nell’impianto devo immettere energia termica, questa dipende dal rendimento dell’impianto. Mentre, per ricavare il consumo annuo di combustibile utilizzo il potere calorifico inferiore e converto i kcal in kWh attraverso il fattore di conversione.

Il costo annuale per avere costruito la centrale e produrre ogni anno è pari alla somma dei costi annuali di costruzione e di combustibile:

nit"+Grgy8so Cannuo =ckwin Costo del combustibile Costo capitale.

Per gli impianti a combustibili fossili si aggiunge in costo della CO2.

Dividendo per la potenza nominale Pn si ottiene il costo annuo per unità di potenza installata, quanto costa la centrale per ogni kW installato ogni anno:

Numero di ore equivalenti a funzionamento a Ne piene potenza per le produzione di E+Cageaesp Cakwi=Cawi

Dipende solo dalla tipologia di impianto. Dipende dalla tipologia di impianto, dal costo di combustibile, dal rendimento e dal potere calorifico inferiore.

CakWi

Considerando un anno e definita la tipologia dell’impianto si può scrivere:

ICakwi=A+BNe Bg2=-

Per tutte le diverse tipologie di impianto si può costruire la retta:

ACakwi=f(Ne) Ne8760 CAKWi

Considerando due diversi impianti:

• Nucleare ab.
• Turbogas re.

L’impianto nucleare ha maggiore costo d’investimento, ma minori costi di esercizio, pendenza della retta minore.

L’impianto turbogas ha minore costo di investimento, ma maggiori costi di esercizio, pendenza della rette maggiore.

Le due curve si intersecano in un punto corrispondente a Ne*: numero di ore di funzionamento di indifferenza economica, si equilibra il maggiore costo di uno con il minore costo dell’altro.

Ne<Ne* costo maggiore per l’impianto nucleare quindi per poche ore ha più senso usare il turbogas.

Ne>Ne* costo maggiore per l’impianto turbogas, quindi per tante ore ha più senso usare il nucleare.

Dividendo il costo annuo per unità di potenza per il Ne si ottiene il costo del kWh annuo:

Trwän-(unnnACkWhannvo B+= =Ne

Per maggiori investimenti, A più elevato, è necessario lavorare a Ne più alti al fine di avere un prezzo del kWh competitivo. Crwhanno ATIAB Ne8760NE

Linee elettriche aeree ed in cavo

Linee elettriche

Le linee elettriche di potenza, sia in cavo che aeree, utilizzano come materiali conduttori alluminio e rame: il rame è molto più costoso ed ha una resistività elettrica minore di quella dell’alluminio, mentre l’alluminio è molto più leggero, densità minore, e ha resistività maggiore.

cp [mmYRiSR P= = = Femmin

Nel caso delle linee elettriche aeree, l’unità di misura sarà:

Quindi, per avere la resistenza per unità di lunghezza, basta dividere per i mm² del conduttore, ottenendo:

[em) Resistenza elettrica della linea r =

Considerando le resistività di rame e alluminio: a parità di resistenza elettrica, i conduttori in rame sono più piccoli perché sono più pesanti.

Il carico di rottura dell’alluminio è molto più basso di quello dell’acciaio, allora per ovviare a questo problema si usano leghe di alluminio, che però perdono in resistività.

a Quando vado a fare delle linee elettriche aeree, i conduttori si II dispongono secondo una catenaria, la cui freccia, punto più in basso, è data da: 3 3 Linea Lunghezza campata Peso conduttore Conduttorifpa8 = Tiro

Per il rame posso avere un tiro maggiore rispetto all’alluminio.

Per pesare una linea, si cerca di fare una misurazione a determinate temperature e a condizioni ambientali ben definite chiamate “every day stress”, dopodiché si mette in tensione la linea.

Il tiro del conduttore deve essere una % del carico di rottura: inferiore al 50%.

Ciò influisce anche sul dimensionamento del sostegno e di conseguenza sul costo della linea.

Linee aeree

Costituite per lo più da conduttori nudi omogenei o cordati, che sospesi o ancorati ai sostegni di linea si dispongono in catenarie.

I conduttori di energia, sono costituiti da fili elementari che formano corde, e possono essere:

• Dello stesso materiale, linee BT-MT-AT, in alluminio o leghe di alluminio.
• Tipo bimetallico, AAT, con anima in acciaio, carico di rottura elevato, e mantello esterno in alluminio, la resistività dell’acciaio è molto più alta di quella dell’alluminio e quindi, quando il conduttore è percorso da corrente, questa scorre nel mantello esterno perché è quello con resistenza minore.

Per le linee AAT, siccome sono molto lunghe, si deve ottimizzare il costo secondo due grandezze: altezza del palo che permette di fare campate più lunghe e la campata stessa.

I sostegni possono essere:

• A traliccio.
• A pali tubolari in acciaio o cemento armato.
• Pali di legno, BT.

La disposizione delle fasi può essere:

• In piano, sostegni meno alti.
• A triangolo, MT-AT-AAT.

In alto vengono posti dei conduttori che non servono a trasportare energia, ma per protezione contro le fulminazioni: sono definite “funi di guardia” e sono in alluminio e/o acciaio, non sono separate dal sostegno attraverso isolatori, ma hanno un collegamento diretto a terra.

Linee in cavo

Costituite da conduttori isolati tra loro e rispetto a terra mediante opportuni isolanti, quali:

• Carta impregnata di oli o resine.
• Materie termoplastiche, PVC o polietilene.
• Gomme, butirriche, etilenpropileniche, polietilene reticolato.

Altri elementi costitutivi:

• Schermi metallici o di materiale semiconduttore, rendono il campo elettrico radiale ed eliminano i punti della superficie dei conduttori ad alto campo elettrico.
• Guaine metalliche, impediscono l’ingresso dell’umidità.
• Armature, proteggono il cavo dalle azioni meccaniche.
• Guaine esterne di materiale plastico, protezione contro agenti chimici.

I cavi possono essere con sezioni piene o cave e:

• Unipolari.
• Tripolari.
• Tetrapolari.

Hé Effetto schermi metallici: íilli

Calcolo delle impedenze longitudinali

Nel caso di una linea bifilare infinitamente lunga percorsa da correnti uguali ed opposte si possono definire tre diverse induttanze:

Induttanza interna Li coefficiente che lega il flusso di induzione magnetica che si richiude all’interno del conduttore con la corrente che scorre nel conduttore.

More[m] reloge(r)) [m*](i i +== Conduttore tubolare Conduttore circolare

Induttanza esterna Le coefficiente che lega il flusso esterno con la corrente che scorre nel conduttore.

()jee(t)]Le =2

Induttanza propria Lp coefficiente che lega il flusso totale alla corrente che scorre nel conduttore.

(ijlog) []Li Le↳p =+= ]+ XI II

Supponiamo di avere una spira costituita da conduttori paralleli tra di loro, infinitamente lunga, in cui la distanza tra i due conduttori è D e ciascuno dei due conduttori ha un raggio definito rc, raggio del conduttore. D

Vogliamo calcolare l’impedenza propria della spira: avendo fatto l’ipotesi che la X linea sia infinitesima, supponiamo di considerare l’elemento dx. Allora, facendo una sezione di un punto qualsiasi, abbiamo: X Dㆇ Wrc

Le relazioni delle impedenze possono essere ricavate utilizzando le formule di impostazione energetica:

MoBdV2 /ILI /2BHav == Permeabilità dell’aria perché suppongo Energia magnetica Volume entro il quale si che nella spira sia presenta aria e che il accumulata nella spira richiude il flusso di induzione materiale del conduttore non sia magnetica ferromagnetico.

Dobbiamo calcolare il flusso che si concatena con la spira, questo flusso è formato da due componenti:

• Un flusso che si richiude internamente al conduttore stesso.
• Un flusso che si richiude esternamente alla sezione del conduttore.

Supponiamo che, se il conduttore è percorso dalla corrente I, la densità di corrente del conduttore sia lineare, ossia per una determinata distanza r possiamo dire che la corrente che passa in questa sezione di conduttore sarà pari a:

izr2I(r) =

Sotto queste ipotesi, risolvendo l’integrale, si ottiene il valore dell’induttanza propria Lp data dalla somma di un’induttanza interna Li e una esterna Le:

logeM [an]LeLi↳p += + == Li Le

Siccome viene riportata la permeabilità magnetica nel vuoto, questa relazione è valida solo nel caso di conduttore costituito da materiale non ferromagnetico.

Nella pratica, in cui vengono utilizzati conduttori ferromagnetici, nel calcolo dell’induttanza interna va considerata la permeabilità magnetica del materiale. Per cui, in generale, l’induttanza propria viene scritta con un coefficiente al denominatore del coefficiente del logaritmo:

0,772kMo2π20g4 20,9= Raggio geometrico equivalente

K tiene conto del flusso che si richiude all’interno dei conduttori, flusso interno, in quanto Li è valida solo nell’ipotesi in cui il conduttore sia cilindrico, omogeneo e pieno. Anche se, pur facendo queste ipotesi, la distribuzione di densità di corrente non è detto che sia lineare, perché la corrente è sinusoidale e quindi ci sarà l’effetto pelle: la corrente tende ad addensarsi più verso l’esterno che verso l’interno.

K viene fornito in una tabella in cui come dati di ingresso si hanno:

• Il numero di fili elementari di cui è costituito il conduttore.
• Se il conduttore è omogeneo o disomogeneo.

Questa è l’induttanza che compete a ciascuno dei due conduttori, per cui l’induttanza della spira sarà il doppio di questa.

Nella linea trifase abbiamo individuato tre spire, quindi quando scorre una corrente nella prima spira, si genera un campo magnetico che si concatena con la seconda spira. Allora esiste un’induttanza mutua tra le spire Lm.

MoX X Lm = loge(m)2ㆇ ㆇ

Consideriamo una linea elettrica formata da n conduttori percorsi da un sistema di n correnti.

IR Quando ci sono tre correnti che scorrono, queste producono un R campo magnetico che va ad interessare il terreno.

7IS Essendo il terreno un conduttore, possiamo considerarlo come S costituito da tanti conduttori elementari uno affiancato all’altro, >ITT quindi per ciascun conduttore possiamo individuare una spira costituita dal conduttore e dal terreno: l’insieme dei conduttori elementari lo posso considerare come un unico conduttore.

11111111111111 Questo conduttore interviene nella valutazione delle Lp di ciascun conduttore delle tre fasi, perché quando c’è corrente in quel conduttore vengono indotte delle FEM.

Nel caso in cui le correnti nei conduttori siano alternate sinusoidali, secondo la teoria di Carson, il terreno sarà interessato da un densità di corrente distribuita su una superficie abbastanza grande di esso, non ha un raggio ben determinato, funzionando da conduttore di ritorno.

Per cui, Carson ha studiato il campo di corrente in questa situazione, individuando un baricentro delle correnti di ritorno, densità di corrente, che si trova ad una certa distanza De dalla superficie del terreno ed è pari a:

Resistività del terreno Ipe Tanto più vicino alla 658 superficie del terreno [m)De = = quanto più grande è la frequenza III. Frequenza rete

Quindi, tutto va come se avessimo un conduttore di ritorno in cui scorrono le correnti indotte che si richiudono attraverso il terreno.

Carson dice anche che la resistenza ohmica offerta dal terreno non dipende dalla resistività del terreno, ma solo dalla frequenza ed è pari a:

[km]42.f.104rt = =

Il terreno offre una resistenza ohm/km alle correnti di ritorno perché, la resistenza di un conduttore è pari a:

p, 3rr 9=

Nel caso del terreno= +

La sezione equivalente di ritorno la possiamo approssimare come se fosse una circonferenza nella quale ci sono tutte le correnti più addensate verso l’esterno per l’effetto pelle, allora la sezione sarà pari a:

Tr TDeS S>= == 6562 of658grPr ==

Per cui con l=1 km si avrà: -+0,0492[4m]reP