Tesi di Elettrotecnica

A.A. 2020-2021

Sommario

Sommario...................................................................................................................... 3

Introduzione ...................................................................................................................... 8

1 Capitolo ....................................... 8

1.1 Sovratensioni prodotte dalle scariche atmosferiche...................................................................... 8

1.1.1 Origine delle sovratensioni. .............................................................. 9

1.1.2 Sovratensioni di origine esterna. ............................. 13

1.1.3 Sovratensioni prodotte dalle scariche atmosferiche........................................... 16

1.1.4 Caratteristiche delle sovratensioni esterne .................. 20

1.1.5 Le scariche sugli elementi costitutivi delle linee elettriche.................................................................................................................... 26

2 Capitolo

2.1 Il coordinamento dell’isolamento nelle centrali elettriche con linee a bassa........................................................................................................................ 26

Tensione ................................................................................................ 26

2.1.1 Generalità ..................................................... 27

2.1.2 Scelta dell’onda normale di tensione................................................................................ 32

2.1.3 Livello d’isolamento ................................................................. 35

2.1.4 Livello d’isolamento normali 40

2.1.5 Livello di protezione................................................................................................................................................................. 45

2.1.6 Protezione selettiva.................................................................................................................... 51

3 Capitolo

3.1 Le soluzioni innovative adottate nelle centrali elettriche con linee a bassa.................................................................... 51

Tensione contro le sovratensioni esterne ....................... 51

3.1.1 Impianti di protezione contro le scariche atmosferiche............................................................................... 55

3.1.2 Organi di captazione 1................................................................................................. 57

3.1.3 Dispersori.............................................................................................................. 62

4 Conclusioni ........................................ 66

5 Un caso concreto: la centrale “Diesel Due” di Brescia...................................................................................... 78

6 Norme CEI di riferimento

7 Monitoraggio dei livelli di campo elettromagnetico ad alte frequenze presenti.................................................. 80

Nel territorio comunale di Brescia (novembre 2008). 81

8 Riferimenti Bibliografici.........................................................................................

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Introduzione

Il macchinario e le apparecchiature installati sulle reti elettriche possono essere sottoposti durante l'esercizio a sovratensioni di origine interna o atmosferica che possono comprometterne la vita.

Il problema della protezione dalle sovratensioni viene affrontato in forma preventiva durante la costruzione delle macchine mediante un opportuno dimensionamento dell'isolamento. L'attitudine a sopportare sollecitazioni dielettriche eccedenti quelle che corrispondono alle condizioni di funzionamento normali, viene verificata quindi in sede di collaudo mediante una serie di prove di isolamento che consistono nell'applicare o nell'indurre nelle macchine delle tensioni di caratteristiche opportune per un tempo definito.

Tra queste prove sono ormai entrate nella pratica corrente anche quelle denominate genericamente prove ad impulsi che consistono nel sottoporre il materiale a tensioni che rappresentano convenzionalmente le sovratensioni d'origine atmosferica. Le prime prove ad impulso furono eseguite circa cinquanta anni fa negli Stati Uniti. I primi passi furono fatti studiando i fulmini e gli effetti elettrici che essi producono per poter stabilire le

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caratteristiche delle sovratensioni e riprodurle con opportuni generatori. Furono anche studiate le leggi con le quali dette sovratensioni si propagano lungo le linee di trasmissione.

Si passò quindi alla prima fase sperimentale che fu certamente la più importante e che è consistita nell'indagare le caratteristiche dielettriche dell'aria, dei materiali isolanti ed infine dei modelli al vero delle macchine. I risultati ottenuti consentirono quindi la costruzione di macchine e apparecchiature più sicure, meglio dimensionate e, da questo punto di vista, più economiche.

Le indagini non furono naturalmente arrestate dopo questi primi successi, ma incrementate di continuo per porre in evidenza gli effetti della forma d'onda, della polarità, dell'ampiezza delle sollecitazioni impulsive sul comportamento degli isolanti. È stato possibile stabilire, ad esempio, che le strutture isolanti progettate bene sono in grado di resistere, senza subire un invecchiamento apprezzabile, a sollecitazioni impulsive di ampiezza di poco inferiore a quella corrispondente alla scarica disruptiva.

Si è anche dimostrato come le prove ad impulso costituiscano uno dei mezzi più sicuri per porre in evidenza difetti accidentali degli isolanti: ciò ha portato come conseguenza a considerare utili queste prove per il controllo della qualità di molti tipi di materiale.

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I progressi della tecnica che crescono, anno dopo anno, con ritmo più che esponenziale hanno reso necessario l'introduzione di questo tipo di prova anche in Europa. Oggi si può dire ormai che anche in Italia pochi sono i costruttori di materiale elettrico che non possiedono un generatore di impulsi.

Per quanto riguarda l'applicazione pratica di questa tecnica, due sono gli scopi principali facilmente deducibili dalle considerazioni svolte:

• Studio e sviluppo del progetto delle macchine elettriche (in particolare dei trasformatori) e delle apparecchiature di protezione.
• Controllo dell'efficienza del materiale all'atto del collaudo.

Per il primo punto possono essere richieste prove da eseguire con impulsi di ampiezza crescente per ottenere i valori delle tensioni di tenuta e di perforazione; tali prove sono molte volte di carattere distruttivo.

Per le prove di collaudo possono essere richieste invece:

• Prove di tenuta a tensioni di valore e forme determinate (ad esempio sui trasformatori);

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• Prove di scarica, che hanno, al contrario lo scopo di verificare che per una data tensione si verifichi, con sicurezza, la scarica (è, ad esempio, il caso degli scaricatori).

Per centrali elettriche con linee a bassa tensione si intendono tutte quelle centrali che generano una tensione compresa fra 400V e 1000V. In Italia, le norme non distinguono linee di bassa o alta tensione, ma

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suddividono tutte le linee in 4 classi secondo la seguente ripartizione:

• A) Linee di classe 0
• 1) Linee telefoniche
• 2) Linee per reti di computer
• 3) Linee di segnalazione e di comando a distanza, propria o su palificazione che sostiene conduttori per il trasporto e la distribuzione dell'energia elettrica;
• B) Linee di prima classe
• 1) Linee per trasporto e distribuzione dell'energia elettrica a tensione inferiore a 1000 V
• 2) Linee per la illuminazione pubblica in serie con tensione massima verso terra inferiore a 1000 V

Protezione di apparecchiature elettriche o elettroniche: 65 la norma CEI 81-10/4 (EN 62305-4)

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• 3) Linee in cavo per illuminazione pubblica in serie con tensione nominale minore di 5000 V
• C) Linee di seconda classe
• 1) Linee di trasporto e distribuzione dell'energia elettrica aventi tensione compresa fra 1000 e 30.000 volt
• 2) Linee di trasporto o distribuzione di energia elettrica con tensione superiore a 30.000 volt e nelle quali il conduttore impiegato ha un carico di rottura inferiore a 3500 kg
• D) Linee di terza classe che sono linee di trasporto o distribuzione di energia elettrica a tensione superiore a 30.000 volt e nelle quali il carico di rottura del conduttore di energia non sia inferiore a 3500 kg.

Scopo del presente lavoro di tesi è illustrare quali sono le tecnologie introdotte contro le scariche atmosferiche negli ultimi anni nelle centrali elettriche con linee a bassa tensione che sono quelle maggiormente distribuite sul territorio italiano.

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1 Capitolo

1.1 Sovratensioni prodotte dalle scariche atmosferiche

1.1.1 Origine delle sovratensioni

Nell’esercizio di un impianto elettrico si verifica spesso che la differenza di potenziale fra le diverse fasi dell’impianto o fra ciascuna fase e la terra, assuma valori molto superiori alla tensione nominale di esercizio, fino a superare talvolta la tensione critica degli isolamenti e causare quindi delle scariche attraverso gli isolatori, o fra le varie bobine che compongono gli avvolgimenti delle macchine, oppure fra gli avvolgimenti ed i nuclei delle macchine stesse.

Tali fenomeni di sovratensione possono nettamente assegnarsi a due categorie distinte: sovratensioni di origine interna, dipendenti cioè dalla particolare configurazione dell’impianto o da guasti o false manovre ad esso inerenti e sovratensioni di origine esterna, derivanti

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da fenomeni elettrici dell’atmosfera che vengono a ripercuotersi sull’impianto. Queste sovratensioni sono sempre provocate da brusche variazioni del campo elettrico terrestre nelle zone attraversate dagli elettrodotti delle centrali e sono perciò influenzate dall’andamento planimetrico o altimetrico delle linee e dalle particolari caratteristiche meteorologiche della zona. Queste sovratensioni si assegnano alle seguenti categorie:

• Sovratensioni prodotte da cariche statiche e da fenomeni di induzione elettrostatica esercitati dalle nubi
• Sovratensioni prodotte da scariche di fulmini direttamente sulle linee
• Sovratensioni conseguenti a fenomeni di induzione elettromagnetiche da scariche elettriche contigue.

1.1.2 Sovratensioni di origine esterna

Dalle sovratensioni di origine atmosferica derivano le più pericolose sollecitazioni accidentali cui sono soggetti gli isolamenti verso terra degli impianti elettrici interconnessi da linee aeree di grande estensione. Queste sovratensioni prendono origine dal campo elettrico terrestre e dai fenomeni elettrici dell’atmosfera: il primo è dovuto alle cariche

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elettriche variamente distribuite sulla superficie della terra e provenienti dal Sole e dagli spazi cosmici; i secondi sono determinati dagli intensi processi di ionizzazione prodotti nei gas atmosferici dalle varie radiazioni che li investono e dai processi di elettrizzazione per strofinio conseguenti ai movimenti delle ingenti quantità di pulviscolo, goccioline e cristalli di ghiaccio presenti nelle masse d’aria e nelle nubi trascinate dai venti.

In generale le sovratensioni verso terra che prendono origine da questi fenomeni possono assumere due forme tipiche diverse e cioè:

• Sovratensioni a formazione lenta, designate come sovratensioni di origine elettrostatica;
• Sovratensioni a impulso, originate dai transitori di brevissima durata caratteristici dei fulmini e lampi.

Nelle sovratensioni di origine elettrostatica le sovratensioni non sono in alcun modo bloccate dalle induttanze proprie delle linee elettriche e degli avvolgimenti che vi sono collegati e perciò si propagano fino a interessare tutti i conduttori comunque collegati fra loro i quali costituiscono nel loro insieme, rispetto al suolo, come un’unica armatura isolata di grande estensione.

Questa armatura isolata si trova ovviamente immersa nel campo elettrico terrestre il cui gradiente di

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potenziale risulta in particolare più intenso in corrispondenza delle parti prominenti della crosta terrestre (montagne): una linea isolata che attraversi delle zone molto accidentate viene perciò ad assumere un potenziale verso terra già di per sé più elevato di una linea in pianura.

Delle cariche statiche di notevole entità possono inoltre accumularsi sui fili isolati per fenomeni di convezione dovuti a pioggia, neve, grandine o polveri, che pervengano a contatto con i fili stessi dopo aver attraversato strati atmosferici fortemente ionizzati; altre cariche statiche possono prodursi sui fili per effetto di polveri o altri corpuscoli trascinati dal vento. Queste cariche accumulandosi sui fili isolati e propagandosi agli avvolgimenti delle macchine che vi sono collegati ne accrescono il potenziale assoluto verso terra e possono anche dar luogo a scariche seguite da onde migranti di corrente e tensione.

Un'altra tipica origine di sovratensioni a formazione lenta è rappresentata dalle variazioni locali del campo terrestre in conseguenza dei fenomeni di induzione elettrostatica esercitati da nuvole elettrizzate. Quando una nube temporalesca fortemente elettrizzata sorpassa una linea elettrica. Generalmente le cariche negative sono disposte nella parte inferiore della nube e le cariche positive nella parte superiore. Nel tratto di linea interessato vengono così richiamate per induzione elettrostatica delle cariche elettriche positive di valore tanto più grande quanto maggiore è

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il potenziale della nube e quanto più essa è vicina alla linea elettrica, mentre altrettante cariche negative vengono respinte nelle parti più lontane fino all'estremità della linea e degli avvolgimenti dei trasformatori che vi sono collegati.

La carica elettrica così richiamata sulla linea segue ovviamente tutte le variazioni della carica della nube induttrice: se questa si dissolve o si allontana si verifica così l'annullamento graduale della carica indotta sulla linea; se invece la nube si scarica istantaneamente, (fulmini a terra o lampi verso un'altra nube) la carica in linea che rimane improvvisamente libera determina un corrispondente brusco aumento locale della tensione verso terra, dal quale prendono origine due onde di tensione e corrente che si allontanano fra loro lungo i conduttori con velocità prossima a quella della luce.

In generale alle sovratensioni di origine elettrostatica sono connesse energie assai limitate, che comunemente si dissolvono attraverso alla conduttanza di dispersione delle linee e degli avvolgimenti delle macchine, oppure attraverso a piccole scariche che sono quasi sempre innocue se avvengono nell'aria, ma che talvolta arrivano a perforare gli isolanti.

In talune condizioni e su impianti molto isolati (conduttanza di dispersione molto piccola) queste sovratensioni possono eccezionalmente raggiungere valori dell'ordine di qualche centinaio di kilovolt: esse risultano perciò particolarmente

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pericolose per gli impianti a tensione di esercizio relativamente modesta.

Queste sovratensioni non si manifestano se l'impianto presenta una qualche connessione elettrica a terra attraverso la quale possono fluire a terra le cariche che si vengono a formare sulle linee. Esempi di queste connessioni sono la messa a terra del neutro dei trasformatori sia diretta che indiretta, oppure i trasformatori di tensione inseriti tra fase e terra.

1.1.3 Sovratensioni prodotte dalle scariche atmosferiche

Le scariche atmosferiche possono influenzare le linee elettriche aeree per induzione elettromagnetica o per fulminazione diretta. Il primo caso è determinato dai lampi fra le nubi o dai fulmini fra nubi e terra che non colpiscono direttamente la linea, ma la influenzano per induzione generandovi delle tensioni indotte proporzionali alla rapidità di variazione della corrente costituente la scarica induttrice; l'effetto è massimo quando il percorso della scarica si sviluppa a breve distanza e in direzione parallela alla linea.

Le sovratensioni che ne seguono sono in genere sopportate senza alcun danno dalle strutture isolanti degli impianti con tensioni nominali di esercizio superiori ai 100 kV, ma possono facilmente superare la tensione distruttiva di

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scarica nell'aria o attraverso agli isolanti negli impianti a bassa e media tensione.

Assai più ingenti e talvolta disastrosi (anche per gli impianti ad alta tensione), risultano peraltro gli effetti delle fulminazioni dirette che si verificano ogni volta che un fulmine o qualcuna delle sue ramificazioni laterali o sfioccature, colpisce direttamente un filo di linea oppure un sostegno.

La scarica di una nube verso terra si verifica quando la carica elettrica e il potenziale che si vengono rapidamente costituendo su di essa, raggiungono un livello critico: in questo momento, per effetto delle stesse forze interagenti fra le cariche (pressione elettrostatica), dalla nube rapidamente si protende verso terra come un enorme tentacolo ionizzato del diametro di alcuni metri, sul cui asse si forma come un sottile tubo di corrente (diametro pochi millimetri) lungo il quale fluiscono le cariche che via via si addensano sul fronte fortemente elettrizzato che, con estrema rapidità e seguendo una traiettoria qualsiasi, avanza verso terra.

Quando lo spazio che rimane interposto si avvicina alla distanza disruptiva relativa al valore del potenziale che è stato nel frattempo raggiunto, dall'estremo di questo tentacolo (la cui tensione raggiunge valori dell'ordine di alcune decine di megavolt), scocca verso una qualche parte aggettante del suolo o di

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una qualche struttura l'arco di scarica, costituente il fulmine, come una prosecuzione del sottile tubo di corrente sopra citato: in questo arco scorre un'onda unidirezionale di corrente che raggiunge il suo massimo valore (valore di cresta)