Appunti di Technologies for HVDC and HVAC transmission systems

TECHNOLOGY FOR

HVDC AND HVAC

TRANSMISSION

SYSTEMS

1 CAVI – 1° CAPITOLO

• RICHIAMI SULLE PARTI DI LINEA

- NEGLI ULTIMI ANNI È CRESCIUTO MOLTO L’INTERESSE DELLE NAZIONI NELL’AMBIENTE E, DI CONSEGUENZA, È AUMENTATA LA PRODUZIONE DI ENERGIA DA FONTI RINNOVABILI ACCELERANDO IL FENOMENO DELLA ENERGY TRANSITION.

IL PROBLEMA È CHE ADEGUARE LA RETE DI TRASMISSIONE NON VA ALLA STESSA VELOCITÀ DELLA COSTRUZIONE DI IMPIANTI A FONTE RINNOVABILE. INSERIRE LE FONTI RINNOVABILI CREA DELLE INSTABILITÀ, PER QUESTO SONO FONDAMENTALI.

PER STARE AL PASSO CON LA ENERGY TRANSITION, NEL MONDO SI STANNO SOSTENENDO INGERI COSTI PER ADATTARE LA LINEA DI TRASMISSIONE E PER RINFORZARE LA RETE ELETTRICA. SONO NECESSARI INVESTIMENTI ENORMI (VEDI POLONIA) E PERCIÒ CI VOGLIONO ANNI CHE LA NUOVA LINEA RICOINCE CONSENTIRE PERDITE ECONOMICHE IMPORTANTI.

- PER SALVAGUARDARE LA LINEA DAI GUASTI RISULTA FONDAMENTALE L'ISOLAMENTO CHE CONSENTE LA TRASMISSIONE DI POTENZA.

LA TECNOLOGIA DEI CAVI È IMPORTANTE PERCHÉ RISULTA OGGI, IN EUROPA, QUASI IMPOSSIBILE COSTRUIRE NUOVE LINEE AEREE PER COLLEGARE L’INGRESSO DI IMPIANTI FONTI RINNOVABILI. CIOÌ PERCHÉ LE LINEE AEREE HANNO GRANDE IMPATTO AMBIENTALE E PRESENTANO UNA DIFFICOLTÀ NEL FAR ACCETTERE LE EMISSIONI ELETTROMAGNETICHE ALLA POPOLAZIONE.

• DATO UN CAVO CON:

• r_o = RAGGIO ISOLANTE

• r_i = RAGGIO CONDUTTORE

IN C.A., LA FORMULA DEL CAMPO ELETTRICO È DERIVANTE DAL RAGGIO:

E = ^U₀⁄_{r ln ^ro⁄ri} [µV/mm]

- IL PARAMETRO CHE GOVERNA IL COMPORTAMENTO DEL CAMPO ELETTRICO DEGLI ISOLANTI SOLIDI ALIMENTATI IN CORRENTE ALTERNATA È LA PERMITTIVITÀ (O COSTANTE DIELETTRICA DELL’ISOLANTE).

• QUEST’ULTIMA NON COMPARE NELLA FORMULA DEL CAMPO ELETTRICO SEMPLICEMENTE PERCHÉ, IN AC, LA SI CONSIDERA COSTANTE IN OGNI CONDIZIONE OPERATIVA.

- RICAVIAMO LA FORMULA DEL CAMPO ELETTRICO PARTENDO DAL TEOREMA DI GAUSS:

∅ = 2π r l E(r) = ^Q⁄_ε

DA CUI: E(r) = ^Q⁄_{ε·2π·r·l}

ΔV = ∫^r_o⁄_ri E(r) = ∫^r_o⁄_ri ^Q⁄_{ε·2π·r·l} dr = ^Q⁄_ε·2π·l ln ^r_o⁄_ri

Q = ^{ΔV·ε·2π·l}⁄_{ln ^ro⁄ri} => SE LA SOSTITUISCO NELLA FORMULA DEL FLUSSO ∅, TROVO UN E(r) SOMMA

La misura del tanδ TenL funziona secondo il seguente schema:

Partitore di tensione che varia la tensione data al VLF

Se procedo variando il partitore resistivo ottengo:

• Linea = Il tanδ resta costante: il cavo è buono perché pur variando la tensione il tanδ non cambia. È probabile che non vi sia la polarizzazione interfacce o che essa sia ridotta.
• Linea = Il cavo ha qualche difetto che non viene risolto solo con l'esecuzione della linea.

Questo test è fatto ogni qual volta una linea viene inaugurata o riparata. Il problema di questo test è che fornisce sì il fatto che vi sia un problema ma non dice dove all'interno del cavo.

Questo test si fa per 3 cicli ad ogni voltaggio; quindi:

• Se f = 0,1 Hz ⇒ Ciclo = 10 s 3 cicli = 30 s
• Se f = 0,04 Hz ⇒ Ciclo = 100 s 3 cicli = 300 s

* CAVI HVDC - 3° CAPITOLO

- LA TECNOLOGIA HVDC È MOLTO UTILIZZATA E COMPLESSA VIENE USATA PER:

• LINEE
• CONNETTERE DUE RETI ELETTRICHE ESISTENTI A FREQUENZA DIVERSA (ES. TRA URUGUAY-50HZ E BRASILE-60 HZ); CIÒ NON È POSSIBILE FARLO CON I CAVI HVAC E RISULTA COMUNQUE NECESSARIO PERCHÉ ALTRIMENTI LE MACCHINE PERDONO IL SINCRONISMO E SI RISCHIA DI AVERE BLACK OUT
• FAR RIPARTIRE LA RETE DOPO UN BLACK OUT (BLACK START)
• CONTROLLARE I FLUSSI DI POTENZA IN MODO PIÙ EFFICIENTE TRA 2 RETI IN AC

- È POSSIBILE MEDIANTE UN GRAFICO COSTO-RISPARMIO, CAPIRE SE È PIÙ CONVENIENTE INVESTIRE NELLA TECNOLOGIA HVDC O HVAC:

• COSTO
• COSTI TOTALI AC
• COSTI TOTALI DC

COSTO LINEA AC

BREAKEVEN DISTANCE

-SI NOTA CHIARAMENTE DAL DIAGRAMMA CHE PER CORTE DISTANZE NON È CONVENIENTE UTILIZZARE L'HVDC POICHÉ IL COSTO DELLA STAZIONE IN DC RISULTA IMPORTANTE.

TRA I 400 E I 1,200 KM BISOGNA FARE UNO STUDIO ACCURATO PERCHÉ ENTRAMBE LE TECNOLOGIE HANNO DEI PRO E DEI CONTRO.

OLTRE I 1,200 KM È PALCESE L'UTILIZO DEI SOLI CAVI HVDC.

- PER TRASMETTERE POTENZA IN HVDC LE TECNOLOGIE SONO FONDAMENTATIVE:

• LCC - LINE COMMUTATED CONVERTER
• VSC - VOLTAGE SOURCE CONVERTER

HVDC LINE-COMMUTATED CONVERTER TYPOLOGIES:

symmetrical bipolar configuration

Typical HVDC schematic (12-pulse bipole with metallic return)

• Bridge
• Bridge
• Bridge
• Bridge

HVDC LINE-COMMUTATED CONVERTER TYPOLOGIES:

Back-to-back HVDC configuration

• Bridge
• Bridge
• Bridge
• Bridge

Campo Elettrico nei Campi Huge

- Se un cavo per corrente alternata ben isolato di alimentarlo in corrente continua (solo alimentato, e no) esso generalmente ha una piccola dispersione di campo elettrico che tiene quando chiude il circuito; però al passaggio della corrente, il cavo cede.

I punti in cui si ha tale cedimento sono lontani dal conduttore e l'andamento del campo elettrico non è più uguale a quello dell'a.c.: il campo non è più interno ma al conduttore né in altri punti.

Bisogna utilizzare le equazioni di Maxwell per capire l'interazione con il campo elettrico.

∇·ᵋϵE = ρ

∇xE = -∂B/∂t

Dove: J = densità di corrente = σ·E [a/m²]

E = D/Ɛ

Divergenza

Il significato fisico della m^equazione è: se c'è una modifica nel campo elettrico rispetto al suo comportamento naturale, l'unica ragione per cui può cambiare è la 'frequenza' di un campo retto.

∇⋅D = ∇(ε₀·ɛr E) = ∇(ε₀·ɛr) E + (ε₀ E)/σ + ɛ/σ ∇·J = J·∇(ε₀·ɛr/σ) = ρ

Percio la conducibilità del dielettrico quando biano tensione varia e ciò determina una nel campo elettrico, facendo sì che i punti più interni non siano più vicini al conduttore ma altrove.

Per questo motivo, tenente im c.a. il campo elettrico dipende molto permissività ed è retro carattico, in c.c. dipendeno dalla conducibilità si dice che il campo elettrico ha un comportamento negativo.

• ∇xH = J + ∂D/∂t

Dove:

• J = Current Density; movimento di carica nell'interfaccia nel dielettrico (non voluto in ac)
• ∂D/∂t = corrente di spostamento, dovuta all'effetto di polarizzazione (corrente finta)

Quali sono i parametri che fanno variare la conducibilità?

σᵣ(T, E) = σ₀·e^{α(T-T₀) + b(E-E₀)}

Dove:

• σ₀ = 'conducibilità' misurata a T₀ e E₀ (temperatura e campo elettrico applicato)
• α, b = coefficienti empirici che dipendono dalle caratteristiche del dielettrico
• α = [°C^-1] , b = [mm/kv]