Che materia stai cercando?

Anteprima

ESTRATTO DOCUMENTO

Fondazioni e vibrazioni dei gruppi turbina-generatore

Pur curando in modo particolare la costruzione, è facile che il baricentro delle masse rotanti di un gruppo turbina-

alternatore non coincida perfettamente con l’asse di rotazione: le sollecitazioni che ne derivano possono

ripercuotersi sulla stabilità dell’albero e della struttura di fondazione che sostiene il gruppo.

La sala macchine è solitamente costruita ad una certa altezza dal suolo, in modo da poter collocare il

condensatore al piano inferiore. Il dimensionamento della struttura di sostentamento deve essere tale

che la sua frequenza di risonanza sia sensibilmente diversa dalla frequenza corrispondente alla velocità di

rotazione del gruppo. Il calcolo della risonanza propria di una struttura a portali sottoposta a carichi

concentrati e distribuiti è alquanto complessa. Qui, a titolo di esempio, esamineremo semplicemente il

comportamento della struttura d’albero del gruppo.

Analisi delle ripercussioni dell’eccentricità sull’albero del gruppo

La forza centrifuga originata dalla presenza di eccentricità (in generale vige il vincolo per

< 0.05 =

) vale :

3000

Tale forza crea a sua volta una flessione dell’albero, e quindi la formazione di una freccia:

dove è un dato caratteristico, dipendente dalla forma e dal materiale con cui è costruito l’albero.

La presenza di una certa freccia di inflessione dell’asse contribuisce ad incrementare l’azione centrifuga:

y

Vale a dire che in prossimità della velocità di risonanza le oscillazioni dell’albero diventano rilevanti e pericolose

per l’integrità della struttura.In genere i gruppi sono dotati di relè di vibrazione che tengono costantemente sotto

controllo le vibrazioni delle macchine.

Normalmente le vibrazioni hanno ampiezza espressa in [pm] oppure in mills (millesimi di pollice) (1mills=2.54pm):

2.5 mills sono accettabili nel normale funzionamento

7 mills è il valore di allerta del relè

>10 mills il relè disinserisce il gruppo poiché il funzionamento risulta critico.

Impianti termoelettrici a turbogas

Essendo il motore primo una turbina a gas presentano in genere taglie di potenza inferiore rispetto ai gruppi

tradizionali a vapore per cui le centrali sono in genere costituite con diversi gruppi in parallelo.

I vantaggi di questo tipo d'impianto derivano dalla struttura più semplice (rispetto a quelli a vapore) e dunque a

tempi più brevi di realizzazione e minori costi d'investimento. Tuttavia la necessità di impiegare combustibili

pregiati ( gas naturale, derivati leggeri del petrolio ) e il basso rendimento comportano elevati costi operativi per

cui l'adozione di questi impianti è riservato alla produzione di punta.

Il ciclo Brayton Joule

Gli impianti che adottano questo tipo di ciclo, vengono denominati a turbogas poiché il fluido di lavoro è sempre

allo stato gassoso, a differenza del ciclo Rankine dove si hanno cambiamenti di stato.

Il fluido di lavoro compie tutte le quattro trasformazioni in forma ciclica, senza contatto con l'esterno. In realtà il

fluido di lavoro è aria, che compie le prime tre trasformazioni e poi viene scaricata all'esterno: dal punto di vista

termodinamico, lo scarico dell'aria all'esterno equivale al raffreddamento della trasformazione 4-1 del ciclo

chiuso.

II funzionamento degli impianti a turbogas si basa su trasformazioni termodinamiche a ciclo aperto, ad esempio, il

ciclo Brayton

il cui rendimento è definito da:

da cui:

Sapendo che per la trasformazione isoentropica (adiabatica) di un gas ideale si ha:

Allora in questo caso:

∙ = ∙ ; ∙ = ∙ => = = ; = =

e posto:

si ha: Idealmente il rendimento aumenta con il rapporto di compressione,

tendendo asintoticamente al rendimento del ciclo di Carnot per → ∞.

In realtà, considerando che il fluido e le macchine sono reali si ottiene,

per e

≅ 8 = 1.4:

In tempi più recenti si è assistito ad un progresso tecnologico dei materiali che ha permesso di elevare la temperatura di funzionamento dei

palettaggi di turbina dagli 800°C usati in passato ai (1000-1250)°C odierni. In vista di questi miglioramenti è stato possibile realizzare cicli

combinati gas-vapore: i gas di scarico del gruppo turbogas si impiegano per far funzionare un evaporatore e il vapore prodotto svolge un

normale ciclo Rankine. In tale modo è possibile ottenere temperature dei gas di scarico di (30-40)°C e rendimenti intorno al 50%.

(Dato che il ciclo turbogas aiuta ad alzare la temperatura del fluido in ingresso alla turbina a vapore, questo non avrebbe senso se

quest’ultima non riuscisse a lavorare ad alte temperature.)

Impianti a ciclo combinato

I cicli combinati gas-vapore consistono in una turbina a gas seguita da un ciclo a vapore che sfrutta, come

sorgente di calore, il contenuto entalpico dei gas scaricati dalla turbina a gas: questa configurazione consente di

ridurre drasticamente l’irreversibilità causata dallo scarico in ambiente di gas caldi, sfruttando l’abilità dei cicli a

vapore di lavorare a basse temperature, e rende possibile l’ottenimento di elevati rendimenti di conversione.

Il principio della combinazione dei cicli può essere applicato sia al potenziamento di impianti termoelettrici

tradizionali già in esercizio o in costruzione (Repowering) sia alla realizzazione di nuovi impianti appositamente

progettati.

Uno schema di ciclo combinato può appartenere ad una delle due seguenti categorie:

1) Unfired La “caldaia” adibita alla produzione del vapore è uno scambiatore

vero e proprio. Tenendo conto della temperatura dei gas di

scarico (fino a 600°C), la parte competente al ciclo vapore ha un

importanza minoritaria, ovvero la parte predominate della

produzione è attribuibile al sistema a turbogas (turbina).

Complessivamente in un simile ciclo si inietta fluido a (1000-

1100)°C e si scarica a temperatura di (30-40)°C, portando il

rendimento globale al 50 % circa.

2) Fully fired In questo caso i gas di scarico del turbogas, ad alta

temperatura, vengono immessi in una caldaia in cui si brucia

combustibile fossile tradizionale. In questo la parte

competente al ciclo turbogas ha un’importanza minoritaria.

Si ottengono in tale situazione rendimenti inferiori, ma si

possono vantaggiosamente sfruttare impianti già esistenti,

ottenendone così un potenziamento.

Si distinguono, inoltre, impianti a ciclo combinato a:

a) 1 livello di pressione i cui la turbina a vapore è realizzata in un unico stadio;

b) 2 livelli di pressione.

Esistono schemi più complessi che prevedono l'impiego di due o più gruppi turbogas per alimentare uno stesso

gruppo a vapore. In tal caso all’interno dell'impianto si possono avere due tipi di schemi:

 Nel multi-shaft si adottano vari gruppi disposti su più assi. Questo schema si adatta per potenze nominali

inferiori ma consente, per contro, una maggior modularità (si possono accoppiare più gruppi avviandone

o spegnendone un certo numero a seconda delle richieste di produzione) mantenendo cosi sempre il

rendimento a valori elevati, evitando il funzionamento a carico parziale dei gruppi turbogas.

 Nel single-shaft si adottano sistemi aventi tutte le macchine calettate sullo stesso asse. Questo schema

consente di raggiungere potenze più elevate, ma richiede maggiore complessità dovuta ad un numero

superiore di ausiliari.

Combustione a letto fluido (FBC: fluidized bed combustion)

Il problema di sfruttare combustibili di scarso pregio e di ridurre nel contempo l’emissione di inquinanti ha spinto ad utilizzare nuove

tecnologie negli impianti termoelettrici come ad esempio la combustione a letto fluido.

La combustione è innescata da torce pilota alimentate da combustibile tradizionale. Il soffiaggio di aria dal basso

permette la combustione in “strati sospesi” di combustibile povero, con basso potere calorifico.

I tubi del vaporizzatore, a differenza di quanto fatto nelle caldaie tradizionali, sono immersi in questi strati in

combustione, per cui lo scambio termico avviene prevalentemente per convezione anziché per irraggiamento.

La temperatura di combustione può quindi essere mantenuta a livelli inferiori (≈ ), col vantaggio di

900°

eliminare quasi interamente la formazione di ossidi di azoto . E’ possibile, inoltre, immettere nel letto di

combustione i reagenti richiesti per l’abbattimento di altri inquinanti, quali l’ , in quantità richiesta.

Si sfruttano inoltre i prodotti della combustione, aventi una certa pressione, per azionare il compressore soffiante

e per produrre una quota di energia elettrica.

Impianti IGCC (Cicli Combinati con Gassificazione Integrata)

Analisi Funzionale

Il carbone viene macinato in appositi mulini ed impastato con acqua, in debite proporzioni: la “poltiglia” così

ottenuta viene inviata al gassificatore. Qui avviene la combustione in difetto d’ossigeno: si sviluppa un ambiente

fortemente riducente e i prodotti della combustione contengono quantità notevoli di e .

Il calore posseduto dai fumi viene utilizzato per produrre vapore, necessario ad azionare un gruppo a

condensazione. In seguito i fumi, in uscita dallo scambiatore, vengono opportunamente trattati, per abbattere gli

elementi nocivi. La miscela di e può, a questo punto, essere bruciata nella camera di combustione di un

gruppo a turbogas. I gas caldi emessi allo scarico dalla turbina a gas vengono, anch’essi, utilizzati per riscaldare

l’acqua e produrre vapore per il gruppo a condensazione, infine, vengono scaricati nell’atmosfera.

IMPIANTI NUCLEARI

Richiami di fisica nucleare

Struttura dell’atomo e del nucleo.

L’atomo è composto da un nucleo relativamente pesante, di carica positiva, e da un certo numero di elettroni

molto più leggeri di carica negativa che ruotano intorno al nucleo. Il nucleo è composto da sottoparticelle,

chiamate nucleoni, che sono di due principali tipi: i neutroni, che non hanno carica elettrica, ed i protoni, che

sono carichi positivamente. La carica elettrica del protone è eguale in grandezza e di segno opposto a quella

dell’elettrone. L’atomo nel suo insieme deve essere elettricamente neutro e pertanto il numero dei protoni è

eguale a quello degli elettroni.

Con Z e A si indicano rispettivamente il numero dei protoni (e quindi degli elettroni) di un atomo e il numero

totale di nucleoni (protoni e neutroni); Z e A sono chiamati numero atomico e numero di massa. L’atomo di un

elemento è sempre identificato dai valori di Z e A che vengono scritti in basso a sinistra e in alto a destra

rispettivamente della lettera che tradizionalmente indica l’elemento chimico;

Z 39

ad esempio il potassio si indica con il simbolo K K .

=

A 19

Ad ogni elemento (caratterizzato da atomi aventi lo stesso numero atomico) possono corrispondere più tipi di

atomi caratterizzati da un diverso numero di massa, cioè da un nucleo contenente lo stesso numero di protoni,

ma un diverso numero di neutroni. Ogni tipo di atomo dello stesso elemento è detto isotopo. Ad esempio l’uranio

che ha numero atomico Z=92 si trova in natura come una miscela di tre isotopi diversi e precisamente 99,282% di

238 235 234

U , 0,712% di U e 0,006% di U . Molti isotopi che non esistono in natura sono stati prodotti artificialmente.

La massa di un nucleo è sempre inferiore, seppur di pochissimo, alla somma delle masse dei suoi componenti. Per

mezzo della relazione di Einstein di equivalenza tra massa ed energia ( ,con velocità della luce), il difetto

=

di massa è spiegato con l’esistenza di una energia di legame che si libera all’atto in cui i nucleoni si combinano e

che è necessario fornire per spaccare o scindere il nucleo. Maggiore è l’energia di legame (e quindi il difetto di

massa) tanto più stabili sono gli atomi.

Nel passaggio da un nucleo meno stabile a uno più stabile si ha rilascio di energia; per questo la fusione (cioè la

combinazione) dei nuclei leggeri o la fissione (cioè divisione o scissione) di quelli pesanti può dar luogo a reazioni

esotermiche. Tale energia è espressa in .

Radioattività

Il decadimento degli isotopi instabili è il fenomeno che dà luogo alla radioattività: i nuclei si trasformano

spontaneamente a un ritmo prefissato emettendo delle particelle o delle radiazioni. Il nucleo risultante può

essere anch’esso e decadere a sua volta per trasformarsi in un altro nucleo; si genera così una catena di

decadimento finché non forma un isotopo stabile.

Nel decadimento radioattivo di un nucleo instabile la combinazione protoni/neutroni può subire i cambiamenti

discussi nel seguito.

Decadimento

Un neutrone si trasforma in protone + un elettrone che viene espulso dal nucleo. Questi elettroni sono dello

stesso tipo di quelli che formano il mantello elettronico, tuttavia per identificare la loro provenienza dal nucleo,

vengono definiti come particelle relative emissioni come radiazioni . Il numero di massa del nucleo decaduto

rimane inalterato mentre il numero atomico aumenta di una unità, trasformando così l’atomo in quello di un

nuovo elemento. I nuclei emettitori di radiazione appartengono tendenzialmente agli elementi medio-leggeri.

Il potere penetrante delle particelle è piccolo ma assai maggiore delle particelle : per dimezzare l’intensità di

un fascio occorre uno spessore di alluminio di circa 1 mm.

Decadimento

Un protone si trasforma in un neutrone + un positrone ( ), che è una particella del tutto analoga all’elettrone

ma caricata positivamente. Poiché il decadimento Beta ( ) è di gran lunga più frequente rispetto a quello Beta

( ) l’uso della denominazione senza alcun segno distinto è da attribuire al primo tipo. Nella emissione il

numero di massa del nucleo decaduto rimane invariato mentre il numero atomico diminuisce di una unità, così si

ottiene un nuovo elemento. Un evento che comporta una trasformazione analoga del nucleo è la cattura, da

parte di un protone, di un elettrone dell’orbita più vicina (orbita K). Emissione di positroni e “cattura di elettroni

K” avviene preferenzialmente in elementi medio- leggeri al di sopra della regione di stabilità.

Decadimento

Il nucleo espelle una particella costituita da un “pacchetto di due protoni e due neutroni” (ovvero un nucleo di

He). In questo caso il numero di massa si riduce di quattro unità, mentre il numero atomico di due unità,

trasformando il nucleo decaduto in quello di un nuovo elemento. L’emissione a avviene di preferenza da elementi

pesanti.

Le particelle sono altamente ionizzanti per gli atomi circostanti e possono così essere rapidamente fermate ed

elettricamente neutralizzate (il loro percorso in aria non supera gli ).

8 ÷ 10

Decadimento

Quando avviene una trasformazione, il nucleo che ne risulta può trovarsi in uno stato diverso da quello cui

corrisponde la minima energia: in un tempo brevissimo questa energia viene emessa sotto la forma di radiazioni

elettromagnetiche (raggi ), con lunghezza d’onda dell’ordine di . Il decadimento non muta nè A nè Z.

10

La radiazione ha un elevato potere penetrante e può attraversare grandi spessori di materiale.

Reazioni nucleari

I fenomeni di radiazione possono interagire con i nuclei degli atomi ed indurre in questi dei cambiamenti, tali

interazioni sono definite reazioni nucleari e possono essere schematizzate con il seguente processo: il nucleo

“bersaglio” reagisce con la particella per produrre un nuovo nucleo e l’emissione di una nuova particella :

+ → +

Le particelle che sono in grado di provocare “reazioni nucleari” sono: neutroni, protoni, deuteroni (nuclei di

deuterio) particelle e inoltre le “particelle” fotoni della radiazione .

,

Le reazioni nucleari di maggior interesse per i reattori nucleari sono quelle che richiedono e producono neutroni;

le prime, perché includono il processo fissione, le seconde, perché forniscono i neutroni per mantenere la

reazione a catena e convertire i materiali da fertili in fissili.

Reazioni neutroniche

Essendo il neutrone elettricamente neutro ha la possibilità di reagire con i nuclei più facilmente, rispetto alle altre

particelle cariche, per la mancanza di ogni barriera elettrostatica.

Nell’attraversare la materia, essi subiscono urti con i nuclei dei vari elementi che trovano sulle loro traiettorie e

ne vengono deviati. Questo fenomeno, che va sotto il nome di scattering. I neutroni sottoposti a scattering

perdono energia e vengono rallentati progressivamente.

Generalmente si definiscono neutroni a:

 bassa energia (neutroni lenti) - fino a pochi (in particolare i neutroni in equilibrio termico con il

materiale circostante possiedono un’energia dovuta all’agitazione termica e vengono chiamati “neutroni

termici);

 media energia - da qualche fino a ;

100

 alta energia (neutroni veloci) - maggiore di .

100

Le reazioni tipiche che i neutroni lenti provocano sulla materia che attraversano sono di cattura radioattiva da

parte dei nuclei. Esse potranno manifestarsi in quattro modi:

1) con emissione di raggi (processo più comune, che avviene con molti elementi);

2) con espulsione di una particella (tipico di certi isotopi a basso numero di massa);

3) con l’emissione di un protone (pure tipico di certi isotopi a basso numero di massa);

4) con la fissione (tipico di alcuni nuclei ad alto numero di massa).

Sezione d'urto per le reazioni nucleari

La si definisce sezione d’urto e misura l’area efficace presentata dal nucleo bersaglio per ogni neutrone.

La si definisce sezione d’urto di fissione, ed è la necessaria affinché avvenga la fissione.

La si definisce sezione d’urto di fissione, ed è la necessaria affinché avvenga la cattura del neutrone.

La si definisce sezione d’urto di scattering.

Le interazioni principali dei neutroni nel processo di fissione sono tre: scattering, cattura radiattiva e fissione. La

sezione d’urto totale è la somma.

Si possono rilevare tre zone tipiche: nella zona dei neutroni lenti, la sezione d’urto varia inversamente alla velocità

dei neutroni; per energie dei neutroni comprese fra e 1000 , esistono picchi di risonanza, dove la sezione

0.1

d’urto sono in genere molto basse; nella regione dei neutroni veloci, le sezioni d’urto sono in genere molto basse.

Il processo di fissione

Fra i quattro tipi di cattura radiativa, quello che più direttamente interessa gli impianti nucleari è la fissione. In

essa, quando il nucleo è colpito da un neutrone e lo assorbe, il nuovo nucleo che si forma è talmente instabile

che, anziché emettere semplicemente radiazioni o particelle ( o ) , si spezza in due parti di massa analoga che

si chiamano prodotti di fissione.

Quando l'energia di reazione, anziché essere emessa immediatamente, rimane nel nucleo questo si mette a

pulsare deformandosi: se le forze di legame che sviluppano in corrispondenza alla sezione ristretta sono minori

della repulsione elettrostatica fra le due parti sia pur ancora collegate, il nucleo si spezza e i due frammenti

vengono fortemente accelerati dalle forze elettrostatiche. L'energia necessaria perché il nucleo colpito si ecciti

fino a dar luogo alla fissione va sotto il nome di energia critica o di attivazione ed è la somma dell’energia di

legame del neutrone catturato e della sua energia cinetica.

Più alta è l'energia di legame rispetto all’energia critica , minore è l’energia cinetica necessaria al neutrone

per provocare la fissione: se , ovviamente non sarà necessaria alcuna aggiunta di energia da parte del

>

neutrone, che potrà essere benissimo del tipo termico.

Molti isotopi pesanti sono fissionabili; l’unico naturale è l'uranio 235. I più importanti isotopi fissionabili artificiali

sono il plutonio 239 e l'uranio 233. Nel caso dell’uranio 235 la reazione di fissione si può scrivere come:

dove X e Y rappresentano i due frammenti di fissione e 2,43 un valore medio nel caso di neutroni incidenti aventi

un’energia in equilibrio con la materia circostante (neutroni termici). I frammenti di fissione possono essere nuclei

di qualsiasi tipo entro un ampio intervallo di numero di massa. La distribuzione statistica di tali prodotti rivela

come i prodotti di fissione possano avere numero di massa compreso tra circa 70 e 170 e siano per la maggior

parte concentrati intorno ai numeri di massa 95 e 135. Nel caso dell’uranio 235, si può vedere a questo proposito

in figura anche l'effetto dell'energia dei neutroni incidenti.

Non tutti i neutroni assorbiti dal nucleo fissile ne provocano la fissione, ma possono anche essere catturati

generando soltanto un nucleo di massa maggiore e instabile. La fissione produce anche raggi ed altre

,

235

particelle. L'energia rilasciata per ogni fissione ammonta in media a circa per U .

204

Nuclei fertili 238 232

I due isotopi U e Th che si trovano in natura si dicono fertili perché da essi, mediante cattura di un neutrone

si ricavano nuclei fissionabili artificiali. Tale processo di trasmutazione dei nuclei è detto conversione.

Di gran lunga più importante è la conversione dell'uranio 238 in plutonio 239 secondo la seguente reazioni

nucleare: 239

La seconda equazione indica sinteticamente che l’ U decade radioattivamente, emettendo raggi un tempo di

92

dimezzamento di 23 minuti, in nettunio 239, il quale, a sua volta, decade radioattivamente, emettendo raggi

con un tempo di dimezzamento di 2.3 giorni, in plutonio 239. Quest'ultimo nucleo è fissile e gioca un ruolo assai

239

importante nell'economia neutronica di un reattore nucleare. Il Pu a sua volta, oltre che a fissionarsi, può, per

240

assorbimento di un neutrone, trasformarsi in Pu , che è un nucleo fertile.

La reazione a catena.

Per produrre energia con continuità mediante il processo di fissione, è necessario che questa possa ausostenersi

in modo controllabile dall'esterno. Per questo occorre che si abbia un effetto di moltiplicazione a cascata per ogni

singola fissione, sulla cui intensità si possa intervenire con mezzi pratici. Questo processo di moltiplicazione, detto

reazione a catena, è possibile grazie all'emissione durante la fissione di un numero di neutroni maggiore di quello

che l'ha provocata. Tale condizione è necessaria anche nel caso di reazione a catena stabile in quanto non tutti i

neutroni emessi possono essere utilizzati per altre fissioni, ma una parte sfuggono dal sistema e vengono assorbiti

da altri nuclei presenti nel nocciolo senza dar luogo a fissioni utili.

Inoltre i neutroni non reagiscono soltanto con l’uranio, ma anche con i nuclei della maggior parte degli elementi;

pertanto un’altra importante causa di assorbimento di neutroni è dovuta alla cattura da parte dei materiali che

oltre all’uranio sono necessariamente presenti in un reattore nucleare.

Il numero di neutroni che sfugge dal sistema entro cui avviene la reazione a catena (nocciolo o struttura

moltiplicante) è percentualmente meno importante quanto più aumentano le dimensioni del sistema stesso

(aumenta il rapporto superficie-volume) e la massa in esso contenuta (aumenta la produzione di neutroni).

Pertanto per ogni composizione di materiali, fissile incluso, con la quale si voglia realizzare una struttura

moltiplicante, esiste un valore minimo per le sue dimensioni, al di sotto delle quali la reazione a catena non può

autosostenersi: queste dimensioni e la massa in essa contenuta sono dette “critiche”.

Affinché la catena di reazione sia autosostenuta, è necessario che il fattore di moltiplicazione sia:

Moderazione dei neutroni

233 235 239

I nuclei fissili U, U, Pu, si fissionano con neutroni di tutte le energie. Con neutroni termici (o lenti) però è

più elevata e cresce in modo inversamente proporzionale alla loro velocità.

238 232

Anche i nuclei fertili U e Th possono essere fissionati, purché i neutroni abbiano un'energia elevata. Tuttavia,

poiché i neutroni perdono rapidamente la loro energia urtando contro i nuclei dei materiali presenti nel nocciolo

del reattore, la probabilità di avere la fissione di questi isotopi è assai ridotta, così da rendere assolutamente

238 232

impossibile il sostentamento di una reazione a catena. U e il Th, una volta mescolati con gli isotopi fissili,

possono dare un contributo, se pur marginale, al numero di fissioni complessive, ma in un reattore nucleare essi

vengono utilizzati

soprattutto per le loro proprietà fertili.

Se il reattore è costituito soltanto da una massa di U naturale risulta impossibile una reazione a catena, in quanto

235 238 238

i neutroni prodotti dalla fissione dell' U verrebbero per la quasi totalità catturati dall' U. dell' U è elevata

in corrispondenza di un certo intervallo d’energia dei neutroni in zona epitermica, o zona delle risonanze.

( La zona delle risonanze (epitermica) è così chiamata perché in questo intervallo energetico la probabilità che un neutrone venga catturato

da un nucleo di U presenta un gran numero di picchi molto pronunciati, chiamati risonanze, in corrispondenza di determinati valori

238

dell’energia del neutrone. Tale probabilità aumenta sensibilmente all’aumento della temperatura dei nuclei di uranio, in quanto in queste

).

condizioni si determina un allargamento delle risonanze

Vi sono due possibilità in alternativa per avere una struttura in cui possa aver luogo una reazione a catena stabile:

 mescolare con l'uranio una sostanza che provochi il rapido rallentamento dei neutroni di fissione, in modo

da far attraversare al neutrone, con poche perdite, l'intervallo d'energia dove si concentrano le catture da

238

parte dell' U (reattori termici): questo elemento è chiamato moderatore;

 235 239

aumentare la concentrazione del fissile ( U o Pu) in modo da ridurre la probabilità di cattura di

238

neutroni da parte di U e al tempo stesso aumentare la probabilità di fissione (reattori veloci - in quanto

l’energia media dei neutroni che producono la fissione è vicina all'energia dei neutroni generati dalla

fissione).

Un buon moderatore deve:

 rallentare un neutrone con un piccolo numero di collisioni,

 avere elevata probabilità di collisione e piccola sezione d’urto di assorbimento per neutroni sia veloci che

lenti.

Nonostante le inferiori proprietà di rallentamento del C e del D rispetto all’H, la grafite e l’acqua pesante risultano

nel complesso migliori dell’acqua naturale, in quanto assorbono meno i neutroni.

Il controllo della reazione a catena

Il controllo della reazione a catena deve avvenire facendo variare la reattività del nocciolo del reattore. Sia il

tempo trascorso fra l’istante in cui è avvenuta la fissione iniziale del U e quello in cui si hanno le fissioni. La

235

velocità ( ) con cui varia nel reattore il numero dei neutroni che promuovono la fissione del U è dato

/

dall’equazione:

−1

= ∙

Integrando la quale, con l’ipotesi che per sia , si ottiene:

= 0 =

( )= ∙

Dunque se diverge; se converge; per e il reattore si trova in condizioni

> 1, < 1, = 1, =

stazionarie. Il tempo che intercorre tra la generazione dei neutroni veloci e il loro assorbimento come termici

nell’uranio secondi, quindi basta che perché il flusso di neutroni, e quindi l’energia liberata,

≈ 10 = 1.01

aumenti del fattore in 1 secondo, troppo grande per controllare agevolmente il sistema.

2 ∙ 10

Fortunatamente non tutti i 2.5 neutroni sono emessi al momento della fissione: una buona parte è emessa subito,

questi sono i neutroni pronti, mentre circa altra parte è emessa in ritardo, questi sono i neutroni ritardati. Il

periodo effettivo del reattore è quindi maggiore di ed è dato da:

10

(1 )

= − ∙ +

dove , che è il percento di neutroni ritardati, è la somma dei ( o dei diversi gruppi di neutroni ritardati

= 5 6)

e è il tempo di vita media dei precursori dei neutroni ritardati. Sono questi infatti che decadendo causano l’emissione dei

neutroni ritardati da parte dei nuclidi figli generati su stati eccitati.

Introducendo nell’equazione precedente i dati dell’uranio 235 si ottiene . Se il flusso

= 0.08 = 1.01

neutronico e la potenza rilasciata dal reattore aumentano del al secondo (e non del fattore come si

10% 2 ∙ 10

avrebbe in assenza di neutroni ritardati). Un tempo di è ragionevole per controllare il sistema. La possibilità

0.1

quindi di governare i reattori nucleari è quindi legata all’esistenza dei neutroni ritardati.

Impianti nucleari di potenza

Il reattore nucleare

L’energia sviluppata nel processo di fissione (energia cinetica dei prodotti di fissione, radiazioni) si trasforma in

calore; questa trasformazione avviene prevalentemente all’interno del nocciolo del reattore nucleare.

Un reattore nucleare è costituito da diversi componenti, di cui quelli fondamentali sono spiegati di seguito.

Combustibile

È composto, quasi sempre allo stato solido, dai materiali fissili e fertili oltre agli elementi che sono ad essi legati

chimicamente o che hanno funzioni strutturali. Nel combustibile avviene il processo di fissione, e la maggior parte

della trasformazione dell’energia di fissione in calore. Il combustibile è protetto da un rivestimento, detto guaina,

che ha la funzione specifica d’impedire il rilascio dei prodotti di fissione all’esterno e generalmente funge da

organo strutturale di sostegno. Il combustibile completo di guaina di protezione è detto elemento di combustibile.

La ‘’vita” di un elemento di combustibile, sia per ragioni neutroniche (la reattività si riduce nel tempo) che tecnologiche (il bombardamento

neutronico e il processo di fissione sono altamente distruttivi per la struttura dei materiali) è assai inferiore a quella di tutto l’impianto

nucleare; per questo esso deve essere periodicamente sostituito con elementi “freschi”.

Il combustibile nucleare può essere considerato molto meno una materia prima che un prodotto industriale.

L’uranio é diffuso piuttosto largamente in natura. I minerali dove esso risulta più abbondante sono la camotite (,

l’autunite oltre ad alcuni ossidi (uraniniti o pechblenda). Il processo di estrazione consiste in un trattamento acido

o basico, a seconda del tipo di minerale, del materiale frantumato: da tale trattamento si recupera l’ossido U O .

3 8

Quest’ultimo, in acido nitrico, viene trasformato in soluzione di nitrato di uranile UO (NO ) , da questo per

2 3 2

evaporazione dell’acido nitrico si ottiene UO e per successiva idrogenazione UO . Dal biossido di uranio, per

3 2

riscaldamento in correnti di acido fluoridrico si ottiene:

Il tetrafluoruro di uranio, solido ad alto punto di fusione, chiamato ‘’sale verde”, è la sostanza di base per la

preparazione di combustibile nucleare. Da esso infatti si può ricavare facilmente l’U metallico allo stato naturale:

che dopa un trattamento di purificazione può essere impiegato direttamente in alcuni tipi di reattori.

Se il reattore è costituito soltanto da una massa di U naturale risulta impossibile una reazione a catena, in quanto

235 238

i neutroni prodotti dalla fissione dell' U verrebbero per la quasi totalità catturati dall' U (il quale ha una elevata

in corrispondenza di un certo intervallo d’energia dei neutroni in zona epitermica, o zona delle risonanze. La zona delle risonanze

(epitermica) è così chiamata perché in questo intervallo energetico la probabilità che un neutrone venga catturato da un nucleo di U

238

presenta un gran numero di picchi molto pronunciati, chiamati risonanze, in corrispondenza di determinati valori dell’energia del neutrone.

Tale probabilità aumenta sensibilmente all’aumento della temperatura dei nuclei di uranio, in quanto in queste condizioni si determina un

).

allargamento delle risonanze

Vi sono due possibilità in alternativa per avere una struttura in cui possa aver luogo una reazione a catena stabile:

 mescolare con l'uranio una sostanza che provochi il rapido rallentamento dei neutroni di fissione, in modo

da far attraversare al neutrone, con poche perdite, l'intervallo d'energia dove si concentrano le catture da

238

parte dell' U (reattori termici): questo elemento è chiamato moderatore;

 235 239

aumentare la concentrazione del fissile ( U o Pu) in modo da ridurre la probabilità di cattura di

238

neutroni da parte di U e al tempo stesso aumentare la probabilità di fissione (reattori veloci - in quanto

l’energia media dei neutroni che producono la fissione è vicina all'energia dei neutroni generati dalla

fissione).

I procedimenti usati per arricchire il contenuto di un determinato isotopo del miscuglio originale, sono due: quello

di diffusione gassosa e quello di centrifugazione gassosa. Di questi il primo finora è il più largamente usato.

Il primo metodo consiste nel far attraversare al gas una serie di barriere porose con un gran numero di fori

piccolissimi. Per passare dalla concentrazione originale del 0.70% di U naturale a quella del 3% bisogna passare

per circa 800 stadi successivi. Un punto di particolare difficoltà del metodo è rappresentato, oltre dalle dimensioni

colossali richieste dagli impianti, dalla tecnologia dei compressori e dalla potenza richiesta da questi ultimi.

Il secondo metodo, assai promettente anche se usato solo in piccoli impianti, è legato all’effetto della forza

centrifuga sulle molecole: il fattore di arricchimento dipende dalla differenza delle masse, oltre che dal quadrato

della velocità di rotazione impressa al gas. Il numero degli stadi necessari è molto minore, a parità di risultati,

come pure è molto minore l’energia richiesta. I problemi tecnologici per la costruzione delle centrifughe

rappresentano la principale difficoltà di questo procedimento.

Il combustibile presenta scarsa resistenza alla corrosione in presenza di ossidi, e sottoposto alle radiazioni si

rigonfia per effetto dello sviluppo di prodotti di fissione solidi e gassosi che possono compromettere la struttura

portante (incamiciatura): perciò si sono presi in considerazione elementi di combustibile non metallico, costruiti

essenzialmente da biossido di uranio UO , che è molto stabile, possiede un alto punto di fusione (circa 750 °C) ed

2

ha caratteristiche nucleari non dissimili da quelle del metallo.

L’insieme di queste operazioni o fasi, che precedono l’immissione del combustibile in reattore, costituisce il front-

end. Dopo l’irraggiamento in reattore sia che si decida di condizionare e sistemare direttamente e in modo sicuro

gli elementi di combustibile irraggiato, sia che si scelga la strada del ritrattamento, cioè della separazione del

plutonio e dell’uranio riutilizzabili dagli altri elementi (in specie radioattivi) contenuti nel combustibile si devono

eseguire ulteriori operazioni. Le operazioni successive allo scarico del combustibile irraggiato dal reattore,

globalmente indicate col nome di back-end, possono essere eseguite, almeno parzialmente,

dall’elettroproduttore oppure essere affidate a fornitori esterni dei servizi interessati.

Moderatore

Un buon moderatore deve rallentare un neutrone con un piccolo numero di collisioni ed avere elevata probabilità

di collisione e piccola sezione d’urto di assorbimento (sezione di cattura) per neutroni sia veloci che lenti (in modo

da non sottrarre neutroni alla mia reazione).

Nonostante le inferiori proprietà di rallentamento del carbonio (C) e del deuterio (D) rispetto all’idrogeno (H), la

grafite (C) e l’acqua pesante (D O) risultano nel complesso migliori dell’acqua naturale (H O), in quanto assorbono

2 2

meno i neutroni.

L’acqua ordinaria non presenta di reperibilità o di costo in quanto l’unica esigenza è che essa sia portata ad un

elevato grado di purezza: questo perché è necessario evitare incrostazioni o corrosioni e le impurezze

determinano la cattura di neutroni che sono quindi sottratti ai processi di fissione, e possono inoltre, diventando

radioattive, determinare situazioni di pericolo. Poiché inoltre l’acqua ordinaria ha una sezione di cattura elevata, è

possibile ottenere la criticità di un reattore moderato da tale acqua solo usando uranio arricchito.

L’acqua pesante ha caratteristiche nucleari nettamente migliori e consente di raggiungere la criticità con uranio

naturale: ha caratteristiche fisiche molto simili a quelle dell’acqua normale e ciò provoca una analoga sensibilità

alle impurezze, ma rende assai difficoltosa la separazione dall’acqua normale, che la contiene in percentuale dello

0.15%. È di difficile reperibilità e di costo elevato.

Il berillio è stato usato, sotto forma metallica o come ossido: il punto di fusione è di 1280 °C e se i pezzi sono

ottenuti per sinterizzazione, essi hanno comportamento isotropo e buone caratteristiche meccaniche.

Il berillio ha però costo ancora elevato ed è fortemente tossico, il che comporta particolari accorgimenti nella

lavorazione e nell’impiego.

La grafite è il moderatore usato nel primo reattore di Fermi ed ha avuto larga applicazione anche nei primi tipi di

reattori di potenza: ha discrete caratteristiche meccaniche, una apprezzabile stabilità a temperature elevate, è

facilmente ottenibile con elevato grado di purezza, ha buone caratteristiche di conducibilità, ma a temperature

elevate reagisce però con l’ossigeno ed il vapore acqueo, nonché con alcuni metalli.

Riflettore

Sostanza che circonda la struttura entro cui avviene la reazione a catena (detta nocciolo) con il compito riflettere

all’interno una parte dei neutroni che lo attraversano diretti verso l’esterno: deve possedere delle caratteristiche

assai simili a quelle del moderatore, con un'elevata probabilità di collisione e rallentamento piuttosto che un

basso potere di assorbimento, dato che un neutrone diretto verso l’esterno è comunque perso e è meglio

“rifletterlo” in quale modo anche a prezzo di un assorbimento. Per reattori termici il riflettore e coincide quasi

sempre con il moderatore.

Fluido termovettore

Il liquido o gas che ha la funzione di trasportare all’esterno il calore nucleare generato nel nocciolo, in modo che

possa essere utilizzato. Il fluido termovettore può coincidere con il fluido motore e/o con il moderatore-

riflettente. Si utilizzano: l’acqua naturale, l’acqua pesante (ambedue sia in forma liquida che in cambiamento di

stato), il sodio, l’anidride carbonica, l’elio.

Fluido motore

Sostanza a cui il fluido termovettore cede la propria energia termica e che evolve in una turbina per generare

potenza meccanica o fornisce direttamente calore ai processi industriali. Si utilizzano: vapor d’acqua e

attualmente è allo studio la possibilità di utilizzare anche l’elio.

Organi di controllo

Apparecchiature che inseriscono o estraggono dal nocciolo i veleni nucleari, in modo da far variare il grado di

moltiplicazione dei neutroni nel nocciolo stesso. Essi sono costituiti da canali metallici di varia sezione

entro cui vengono inserite e disinseritele barre di controllo.

Organi strutturali

Organi meccani di vario tipo che svolgono funzioni da sostegno e di contenimento. Appartengono a questa

categoria la piastra cui poggia il nocciolo e il recipiente a pressione che contiene il fluido termovettore.

Schermatura

Spessore di materiale che circonda il nocciolo per ridurre le radiazioni emergenti ( e neutronica) a livelli

accettabili dall'uomo.

Dato che l'uomo è estremamente sensibile a queste radiazioni, ragioni di sicurezza, se non addirittura di

sopravvivenza, impongono che si abbia una loro drastica riduzione in ogni zona accessibile circostante il reattore.

Nasce quindi l' esigenza di determinare sia il tipo che l'energia delle radiazioni e i loro effetti sul corpo umano in

modo da definire i livelli accettabili nei luoghi accessibili, le sostanze più adatte e le modalità di progetto e di

costruzione per le necessarie schermature. Bisogna allora considerare:

 Raggi : Gli elementi con peso atomico più più elevato si prestano particolarmente per ottenere efficaci

schermature, con spessori di materiale relativamente modesti.

 Neutroni: I neutroni ad alta energia sono catturati dagli elementi pesanti in misura estremamente

modesta, mentre tale operazione è relativamente facile se l'energia che possiedono è bassa: bisogna

dunque rallentare i neutroni veloci, e per questa funzione sono particolarmente adatti i nuclei leggeri. In

questa fase vengono però prodotti dei raggi , di cui bisogna pure provvedere all’assorbimento e

l’operazione è accompagnata anche da sviluppo di calore che bisogna eventualmente asportare.

La parte più interna dello schermo è di solito è costituita da lamiere di acciaio di grosso spessore (circa 100 mm),

anche con lo scopo di proteggere la parete del recipiente in pressione da possibili lesioni per eccessiva dose di

neutroni veloci, intercalate da intercapedini in cui circola acqua di raffreddamento.

Si lega il ferro con il boro per limitare la cattura di neutroni da parte del ferro, il quale diventa radioattivo con

elevato periodo di dimezzamento, cosa che ostacola le eventuali ispezioni al reattore, ed emette raggi con

notevole contenuto di energia. Esternamente alla schermatura termica, si pone una ulteriore schermatura che ha

solo funzioni biologiche, normalmente costituita da calcestruzzo, legato con minerali pesanti per favorire

l'assorbimento dei raggi .

Tipi di reattori

Reattori moderati ad acqua leggera (LWR)

La maggior parte delle centrali elettronucleari attualmente in corso di costruzione o di esercizio nel mondo sono

dotate di reattori cosiddetti ad acqua leggera: si tratta di reattori in cui il fluido termovettore, il quale funge anche

da moderatore e da riflettore, è costituito da acqua naturale. Vi sono due tipi di reattori ad acqua leggera.

Entrambi i tipi di reattori vengono alimentati con combustibile a base di ossido di uranio arricchito in U .

235

Reattori ad acqua in pressione (PWR)

Nei reattori PWR il fluido termovettore è posto a pressioni elevate (circa 160 bar) in modo da poter raggiungere

temperature elevate senza cambiamento di stato. L’acqua dall’uscita del nocciolo passa in scambiatori di calore

dove, sul lato secondario, viene prodotto vapore a più bassa pressione che viene inviato in turbina. Tali

scambiatori sono noti con il nome di generatori di vapore.

Va tenuto presente che questi impianti hanno un notevole grado di sicurezza intrinseca, in quanto la reattività

decresce fortemente all’aumentare della temperatura.

Reattori ad acqua bollente (BWR)

Nei reattori BWR il fluido termovettore evapora già all’interno del nocciolo del reattore e il vapore prodotto (alla

pressione di circa 70 bar) viene inviato in turbina in ciclo diretto. Trattandosi, a differenza dei reattori PWR di un

sistema a ciclo diretto, non si può fare una chiara distinzione tra circuito primario e secondario.

Uno degli aspetti più delicati connessi con l’esercizio dei reattori con schemi a ciclo diretto è quello della

radioattività del fluido termovettore. Se il contenuto di impurezza sotto forma di soluzione o sospensione viene

mantenuto sufficientemente basso (meno di 1 ppm), la reattività del termovettore è principalmente quella

risultante dalla cattura neutronica da parte dell’ossigeno nell’acqua: in questo caso le reazioni neutroniche che

interessano gli isotopi dell’ossigeno danno luogo a radiazioni con un periodo di dimezzamento breve.

La presenza di umidità nella turbina o in altri componenti dopo l’arresto del reattore non è pertanto pericoloso e

gli eventuali lavori di manutenzione possono essere iniziati su questi componenti poco dopo l’arresto del

reattore.Il problema della purificazione del fluido termovettore e un progetto speciale per evitare depositi o

sacche nei vari componenti acquistano così particolare importanza.

Reattori moderati ad acqua pesante (HWR)

Il maggior vantaggio dei reattori ad acqua pesante nei confronti dei reattori ad acqua leggera è dovuto alle ottime

proprietà moderanti e riflettenti della D O che, insieme al basso assorbimento neutronico, consentono un miglior

2 235

sfruttamento del combustibile e l’utilizzo di combustibile a base di uranio naturale (invece che arricchito in U ),

considerevolmente meno costoso.

Da un punto di vista economico questi vantaggi sono accompagnati da un costo di impianto più elevato, sia per la

presenza di notevoli quantitativi di acqua pesante, che è assai costosa, che per la maggior complessità del

generatore di vapore nucleare vero e proprio.

I reattori ad acqua pesante particolarmente attraenti per quelle nazioni hanno difficoltà a reperire l’uranio o ad arricchirlo, quindi la scelta

di un tale tipo di reattore può essere il risultato di considerazioni di natura essenzialmente politica, piuttosto che tecnica-economica.

Reattori CANDU (PHWR)

Il tipo di reattore a D O che si è finora maggiormente affermato industrialmente è quello denominato ad acqua

2

pesante in pressione. Nei reattori PHWR il fluido termovettore è posto a pressioni elevate (circa 95 bar) in modo

da poter raggiungere temperature elevate senza cambiamento di stato. L’acqua dall’uscita del nocciolo passa in

scambiatori di calore dove, sul lato secondario, viene prodotto vapore a più bassa pressione che viene inviato in

turbina. Tali scambiatori sono noti con il nome di generatori di vapore.

Reattori moderati a grafite

Reattori MAGNOX

Sono reattori moderati a grafite e CO (gas) come fluido termovettore.

2

In un blocco di moderatore, grafite, vengono introdotte le barre di combustibile, sostanzialmente barre di uranio

naturale metallico contenute in una guaina in lega di magnesio, la Magnox-Al 80. Nello stesso corpo sono alloggiate le

barre di controllo usate per modulare l'emissione di neutroni. Attraverso il nocciolo, costituito appunto da moderatore e barre, passa un

flusso di gas, anidride carbonica. Quest’ultima in uscita dal nocciolo passa in scambiatori di calore dove, sul lato secondario, viene prodotto

vapore che viene inviato in turbina. Tali scambiatori sono noti con il nome di generatori di vapore. Quest’ultima viene in seguito

convogliata a contatto dei tubi della caldaia, in cui circola acqua che vaporizza e passa in una turbina a vapore cui è connesso un generatore

elettrico convenzionale che produce elettricità.

Questo reattore presenta il vantaggio di utilizzare materiali piuttosto comuni e, in particolare, poco costosi,

nonché combustibile che non richiede operazioni di arricchimento. Anche il termovettore è poco costoso e

abbondante. Tuttavia l’impiego dell’uranio e della grafite costringe a ricorrere ad un combustibile ad elevata

densità quale l’uranio metallico ed alla scelta di materiali poco assorbitori di neutroni, quali il magnesio per

l'incamiciatura del combustibile: queste ed altre limitazioni alla scelta dei materiali hanno imposto severe

restrizioni sulle prestazioni di questi impianti. Ad esempio la massima temperatura che la lega di magnesio dell'incamiciatura può

sostenere è di 455 °C, la temperatura massima della C0 è stata limitata a circa 400 °C.

2

Reattori AGR

Per migliorare le prestazioni dei reattori MAGNOX, pur conservando la grafite come moderatore e l'anidride

carbonica come fluido termovettore, si è sviluppato un nuovo tipo di reattore con cui si rinuncia all'uranio

naturale optando per un arricchimento che consente di utilizzare l’UO , avente un comportamento molto più

2

soddisfacente sotto irraggiamento, e guaine di acciaio inossidabile assai più resistenti alle alte temperature del

magnox. La temperatura massima della guaina di combustibile (825°C) è considerevole superiore ai valori caratteristici dei reattori del

tipo MAGNOX.

Reattori veloci

L’autofertilizzazione

235

Le riserve di U sono scarse, perciò i reattori esaminati finora possono contribuire a soddisfare le necessità di

energia elettrica, ma non possono rappresentare una soluzione a lunga scadenza. Inoltre essi consumano l’1 o il

2% dell’energia che potrebbe essere liberata dalla fissione completa del combustibile delle barre.

Se un reattore, anziché mantenere semplicemente la reazione a catena ad un dato livello energetico, può

produrre più nuclei fissionabili di quanti non siano interessati dalle fissioni, allora il processo non solo si mantiene

ma dà luogo ad una autofertilizzazione (breeding).

Volendo quantizzare in forma elementare il processo di breeding, per ogni nucleo scomposto nella fissione si

produce un numero di neutroni di fissione. Si chiama rapporto di conversione il numero di neutroni disponibili

per la produzione di nuovi nuclei fissionabili:

= −1−

dove Il termine tiene conto del fatto che almeno un neutrone è necessario per il sostentamento della reazione

−1

a catena, mentre il termine è il numero di neutroni perduti per reazioni non utili ai fini della produzione di

reazioni di fissione.

Se (ovvero ), le successive fissioni daranno luogo ad una quantità di nuclei fertili rappresentata

> 1 > 2 +

dalla serie divergente dove è il numero di nuclei sottoposti a fissione in un determinato

+ + …

intervallo. Il materiale fertile può essere tutto convertito.

Se invece la serie è convergente, e solo una parte del materiale fertile può essere utilizzata.

< 1,

Si definisce come guadagno di breeding l’espressione = − 1.

Costituzione di un reattore veloce

Disgraziatamente il breeding non è possibile con i reattori di tipo termico fin qui esaminati, perché in essi < 2

233 235

(perdite). La tabella mostra che soltanto un marginale guadagno in può essere realizzato con U e U , 239

passando dallo spettro termico a quello veloce mentre, un significativo guadagno è invece possibile con il Pu ,

avendo il più alto valore di nello spettro veloce. Perciò l'uso dei neutroni veloci permette di rendere

autofertilizzanti i reattori ad uranio.

Nuclide Spettro termico Spettro veloce

235

U 2,07 2,09

233

U 2,27 2,35

239

Pu 2,11 2,53

239

Quindi il Pu è il miglior fissile ma per motivi legati alla proliferazione (bombe atomiche) il suo interesse è

fortemente limitato.

Il campo di energie neutroniche, tipico dei neutroni veloci è di 0,25 MeV: a tali livelli i processi di cattura parassita

od assorbimento sono molto più ridotti che per i neutroni termici. Esiste quindi una più ampia gamma di scelta

per i materiali di contenimento del combustibile. Nascono però contemporaneamente dei gravi problemi

tecnologici: la necessità di disporre inizialmente di combustibile fortemente arricchito e perciò costoso, per

evitare rallentamenti di neutroni per collisioni nel combustibile stesso, la necessità di usare come veicolo

raffreddante materiali con scarso potere moderante, e perciò a numero di massa elevato, come i metalli liquidi

(es. il sodio), che però impongono di risolvere notevoli difficoltà di progettazione, e la notevole concentrazione di

potenza in piccolo spazio, che impone un raffreddamento particolarmente energico del combustibile.

Questo tipo di reattori viene spesso indicato con la sigla LMFBR (Liquid Metal Fast Breeding Reactor; reattore

convertitore veloce a metallo liquido). Esso presenta notevoli problemi tecnologici, legati da una parte alle

caratteristiche chimiche del sodio liquido, dall’altra alle elevate intensità di irradiazione da neutroni. Vi sono poi

rischi notevoli, sia per quanto riguarda gli incidenti sia per la possibilità di utilizzare il plutonio per costruire

bombe.

Tabella reattori

L’ALIMENTAZIONE DEI SERVIZI AUSILIARI NELLE CENTRALI ELETTRICHE

Classificazione dei servizi ausiliari

Dal punto di vista strettamente funzionale ed indipendentemente dal livello di tensione che li alimenta, i servizi

ausiliari sono divisibili in:

 servizi di 1° categoria, indispensabili per il funzionamento dell’unità;

 servizi di 2° categoria, per i quali può essere tollerato un temporaneo fuori servizio senza provocare

disturbi alla centrale;

 servizi di 3° categoria, indispensabili per assicurare la corretta fermata della turbina ed il raffreddamento

di alcuni ausiliari della caldaia; per questi servizi è sempre prevista una alimentazione di emergenza in c.a.

ed una unità di riserva alimentata dalle sbarre in c.c.;

 servizi di 4° categoria, indispensabili dopo la fermata della turbina, che debbono assicurare il corretto

mantenimento della centrale per lunghi tempi.

Dalle sbarre in uscita dall'alternatore è derivato il trasformatore dei servizi ausiliari, destinato ad alimentare,

quando il gruppo è in servizio, tutte le apparecchiature elettriche del gruppo.

Oltre al sistema principale dei servizi ausiliari, sopra descritto, che assicura la loro alimentazione sia durante le fasi

di avviamento che in normale esercizio a carico, sono presenti i sistemi di emergenza in grado di alimentare

alcune utenze privilegiate in particolari situazioni.

L'entità della potenza richiesta per l'alimentazione dei servizi ausiliari negli impianti idroelettrici è generalmente piuttosto modesta,

essendo contenuta fra lo 0,25 e 2,50% della potenza complessiva prodotta dalla centrale. Entro questi limiti, che sono abbastanza ampi, si

può però oscillare a seconda delle caratteristiche dell'impianto.

A differenza delle centrali idroelettriche, nelle centrali termoelettriche il consumo di energia necessario per alimentare gli ausiliari

raggiunge percentuali abbastanza rilevanti rispetto a quella prodotta nell’impianto: per dare una cifra di larga massima, si può ritenere che

il consumo di energia per i servizi ausiliari possa essere

Sistemi a corrente alternata

La distribuzione in corrente alternata è articolata su due livelli di tensione:

 MT a 6 kV per utenze di potenza elevata (superiore a 150-200 kW)

 BT a 380 V per utenze di potenza inferiore.

Il sistema a 6 kV è esercito con neutro a terra tramite una impedenza che limita la corrente omopolare ad un

valore di circa 15A; in caso di guasto monofase a terra il servizio può continuare per un periodo di tempo

necessario all’individuazione del guasto (tramite apposito sistema di ricerca) ed alla sua eliminazione; pertanto

viene privilegiata la continuità di esercizio. Il sistema a 380V è esercito con neutro francamente a terra.

Sistemi a corrente continua

Il sistema in corrente continua è suddiviso in due livelli di tensione 220 V e 110 V.

Il sistema a 220V alimenta i seguenti carichi:

 Utenze di emergenza (essenzialmente motori) appartenenti ai servizi indispensabili per assicurare la

corretta fermata della turbina e di altro macchinario importante (utenze di III categoria);

 Luce di emergenza in corrente continua;

 Invertitori per l’alimentazione di circuiti di strumentazione e controllo in corrente alternata.

Il sistema a 110V alimenta i seguenti carichi:

 Cimiti di comando interruttori e attuatori;

 Circuiti per la lettura dei contatti di impianto;

 Circuiti per automazioni e protezioni elettriche;

 Valvole a solenoide;

 Circuito di superscatto a mancanza di tensione.

Le batterie per l’alimentazione dei servizi ausiliari in corrente continua

Negli impianti elettrici sono usati due tipi di sorgenti di tensione continue per l’alimentazione dei servizi ausiliari:

gli accumulatori alcalini al cadmio- nichel e quelli al piombo. Tuttavia solo quest’ultimo è quello oggi

maggiormente utilizzato e che si prenderà in considerazione.

Nell’accumulatore al piombo la reazione fondamentale reversibile è la seguente:

Le reazioni non possono mai essere utilizzate al completo per tutta la massa attiva, perché le trasformazioni da

ossido di piombo a solfato di piombo e da piombo a solfato di piombo sono accompagnate da variazioni di volume

notevolissime.

Nota

Le batterie sono uno dei sistemi di accumulo di energia elettrochimica. Sono pertanto dei dispositivi

elettrochimici che convertono energia elettrica in energia chimica durante la fase di carica, e convertono energia

chimica in elettrica in fase di scarica. Il principio di funzionamento si basa su reazioni di ossidoriduzione:

1. specie chimica riducente perde elettroni e si ossida;

2. specie chimica ossidante acquista gli elettroni persi dal riducente e si riduce;

3. tramite elettrolisi si inverte il percorso degli elettroni e il verso della reazione.

Questi accumulatori utilizzano un anodo fatto di polvere di piombo spugnosa ( ) e un catodo di diossido di

piombo ( ), mentre l’elettrolita nel quale sono immersi gli elettrodi è una soluzione acquosa al 20% di acido

solforico ( ). Durante il processo di scarica l'anodo e gli elettrodi negativi sono trasformati in solfito di

piombo e l'elettrolita diventa prevalentemente acqua. Le corrispondenti equazioni di reazione sono le seguenti:

Scarica

(Anodo) (2.7)

+ ↔ + +2 ⇄ Carica

(Catodo) + +3 +2 ↔ +2 (2.8)

Si nota che durante la scarica si ha un consumo dell’elettrolita, e questo

può portare ad una riduzione della sua densità con il conseguente rischio

che sugli elettrodi si depositi un piccolissimo strato di solfato di piombo,

ovvero un sale poco solubile. Nel caso in cui il periodo di scarica si

prolunga nel tempo si formano particelle di dimensioni maggiori, che non

reagiscono più nel successivo processo di carica, provocando una

diminuzione della capacità dell'accumulatore. Questo processo è noto

come solfatazione della batteria piombo-acido e avviene anche in

condizioni di scarica parziale, essendo comunque più incisivo quanto

maggiore sarà il livello di scarica e il tempo di permanenza in tale stato.

La resistenza interna ( ), che influenza la tensione ai morsetti della batteria durante la scarica (caduta di

tensione interna pari a , dove è la corrente di scarica), rimane pressoché costante durante la normale

utilizzazione dell’accumulatore, tendendo ad aumentare solo quando la tensione scende sotto 1.8 V per

elemento. Durante la scarica si manifesta, partendo da accumulatore carico, un iniziale abbassamento di

tensione, che avviene nell’ordine dei secondi. Successivamente la tensione si stabilizza ad un valore che è

funzione della corrente di scarica, e che ovviamente è tanto più basso quanto maggiore è il carico (ovvero quanto

maggiore è la richiesta di corrente da parte del carico, ovvero quella assorbita dal carico): esso tende a diminuire

con grande lentezza, pure funzione della corrente di scarica. (figura in basso a sinistra)

Si definisce capacità nominale di una batteria la quantità di carica elettrica che la batteria eroga durante una scarica a corrente costante di

L’intensità della corrente di scarica sulla capacità dell’accumulatore ha un’influenza

valore pari alla corrente nominale.

rilevante di cui bisogna tenere conto nella scelta della batteria: come descritto dalla relazione di Peukert , dove è la

=

corrente di scarica e una costante dipendente dal tipo di batteria, una batteria con una determinata capacità nominale è in grado di

fornire tale capacità se e solo se viene scaricata con una corrente costante di valore pari alla corrente nominale, ovvero in un determinato

tempo. Se la corrente di scarica aumenta, ovvero il tempo diminuisce, la batteria non è in grado di fornire la stessa capacità, ma una

capacità inferiore e quindi eroga una carica inferiore.

Apparecchiatura per la carica degli accumulatori

In figura è visibile la tensione di un elemento misurata al variare della corrente di carica, per diversi stati di carica.

Qualora la tensione di carica superi 2.4 V/elem., si manifesta un fenomeno di sviluppo di gas, proveniente dalla

dissociazione dell’acqua (solfatazione). Esso è in un certo senso favorevole perché consente una buona

miscelazione dell’elettrolito, e quindi l’individuazione esatta dello stato reale di carica; ma un’eccessiva

permanenza a tale tensione agisce negativamente sulla durata delle piastre ed è quindi pericolosa.

I sistemi di carica possibili possono essere raggruppati in tre tipi fondamentali:

1) a corrente costante, su uno o eventualmente due livelli per accelerare la carica nella prima fase. La

tensione di ebollizione viene superata nella fase finale di carica (si veda dal grafico superiore per =

questo sistema trova scarse applicazioni nelle batterie stazionarie; è usato invece per le

80,90,100),

piccole batterie o per gli accumulatori da trazione.

2) con caratteristica a corrente decrescente. La carica è fatta in modo che l’intensità di corrente diminuisca

con l’aumentare della carica stessa. La permanenza nella zona di ebollizione può essere evitata, od

almeno ridotta, con notevole benefìcio per la durata della batteria.

3) con caratteristica a tensione costante. Le correnti di carica decrescono andando verso fine carica: il tempo

necessario al recupero della maggior parte della capacità è notevolmente abbreviato. Per evitare

sovraccarichi in corrente, il primo periodo può essere previsto a corrente costante.

Le soluzioni possibili per il mantenimento degli accumulatori in condizioni di carica sono diverse a seconda che la

batteria possa essere, durante le necessarie operazioni, staccata dagli utilizzatori oppure debba sempre rimanervi

connessa.

Batteria in carica di compenso

Nel primo caso i limiti di tensione cui si può giungere durante la carica possono essere fissati senza alcun

riferimento alle condizioni di esercizio, in quanto non esiste alcun legame con la rete in corrente continua e gli

apparecchi utilizzatori: è perciò possibile prevedere senza particolari complicazioni cariche a fondo anche a

tensione elevata.

La batteria viene tenuta normalmente staccata dalla rete e collegata ad un apposito raddrizzatore (2), che deve

fornire in permanenza soltanto una modesta corrente (in modo da compensare l’autoscarica) e provvede alla

carica a fondo della batteria dopo un intervento. Il circuito utilizzatore viene alimentato da un secondo

raddrizzatore (1) di potenza sufficiente, dove in caso di mancanza della tensione alternata la batteria viene

inserita immediatamente attraverso la manovra di appositi commutatori.

Durante la commutazione un diodo assicura la continuità della corrente

continua: esso mantiene infatti l’alimentazione durante il transitorio di

commutazione evitando che si formino vuoti di tensione che potrebbero

causare inconvenienti, specie in presenza di circuiti di comando a

mancanza di tensione. Il diodo va collegato ad un elemento intermedio

della batteria, per impedire che il raddrizzatore adibito alla carica degli

accumulatori eroghi sulla rete durante la carica a fondo.

Batteria in tampone

Nel secondo caso gli utilizzatori sono sempre collegati all’apparecchiatura di carica alimentata dalla rete in

alternata assieme alla batteria, che interviene sostanzialmente per fornire le punte di carico quando la richiesta di

potenza diventa rilevante.

L’alimentazione del dispositivo tampone va fatta scegliendo una tensione adatta per fornire sia la corrente di

compenso per l’autoscarica sia la corrente di ripristino per i carichi elevati.

La soluzione migliore è quella di adoperare dei raddrizzatori stabilizzati del tipo a tiristori, previsti di due gradini di

carica: il primo per compenso di correnti di autoscarica, il secondo per compensare i normali prelievi.

Dove:

 Ia: corrente fornita dal raddrizzatore per mantenere la

carica della batteria;

 Ib: corrente fornita dal raddrizzatore necessaria al

carico;

 Ic: corrente fornita dal raddrizzatore necessaria al

carico;

 Id: corrente fornita dalla batteria necessaria al carico;

Dimensionamento della batteria

La scelta della capacità della batteria destinata ad un determinato impianto dipende in maniera determinante

dalle caratteristiche degli impianti utilizzatori nel funzionamento a tensione inferiore alla massima prevedibile.

E’ chiaro infatti che potrà essere ammessa una batteria di capacità più bassa, o di resistenza interna più alta, in

tutti quei casi in cui le apparecchiature siano adatte a funzionare bene anche con una tensione alquanto ridotta

rispetto alla massima.

Le norme italiane prescrivono che le apparecchiature debbano funzionare sicuramente per tensioni comprese fra l’80% e il 110% della

nominale: ciò vuol dire che potrà essere ammessa, nella batteria e nelle reti di alimentazione delle apparecchiature, un’escursione totale

fra il valore massimo della tensione a vuoto e quello minimo per l’utente più lontano vicina al 30%.

Una volta determinate le varie categorie di utenti, resta da vedere per quanto tempo debbano essere previsti i

singoli carichi. Quelli istantanei durano pochi secondi ma i carichi di emergenza possono richiedere energia per

tempi variabili dai minuti fino alle ore. Generalmente si ammette la necessità di alimentare tali carichi di

emergenza per tempi variabili fra una e tre ore.

Il calcolo della capacità della batteria può essere così impostato:

1) Si fissa il numero degli elementi scelti:

 per batterie in tampone che restano sempre connesse al carico è pari al rapporto tra la tensione

massima ammessa ( ) e la tensione di tampone unitaria ( ):

= + 10% = 2,2

. =

 per la batteria in carica di compenso può essere dato dal rapporto tra la tensione minima

ammissibile ( ) e la tensione unitaria di fine scarica ( ):

= − 10% = 1,8

.

2) Si determina la capacità:

= ∙ℎ = ∙ℎ

3) Va quindi verificata la capacità scelta in relazione alle cadute di tensione provocate dai transitori e dai

carichi istantanei, ed ammesse dalle apparecchiature. Ciò potrà rendere necessario un aumento della

capacità della batteria, o un maggior dimensionamento della rete, o la scelta di schemi con la possibilità di

aumento del numero di elementi, a batteria parzialmente scarica.

Come ordine di grandezza, per le centrali idroelettriche la capacità necessaria normalmente si aggira su 200 −

a seconda delle dimensioni dell’impianto. Valori superiori si possono avere per le grosse centrali

300 ℎ,

termoelettriche, nelle quali può essere richiesta una batteria di o anche parecchio più grande.

500 ℎ

Naturalmente, qualora ciò sia ritenuto opportuno, si potranno anche dare dei coefficienti di utilizzazione più bassi

delle singole utenze, supponendo che i carichi debbano essere fatti funzionare in una certa successione o che si

possano ammettere delle riduzioni nel tempo: allora il dimensionamento della batteria potrà essere

adeguatamente ridotto.

LA REGOLAZIONE DELLA TENSIONE

Non si tratta di mantenere stabilmente a determinati valori il potenziale generato dai sincroni, ma di adempiere

anche alla ripartizione della potenza reattiva e al mantenimento della tensione in limiti non pericolosi per il

macchinario. La tensione può ammettere scarti anche abbastanza rilevanti alla produzione, esistendo altri mezzi

per la sua correzione oltre alla variazione della corrente di campo dei generatori (regolazione sotto carico dei

trasformatori, condensatori in serie o in derivazione) e accettando le utenze, in generale, degli scarti anche di una

certa entità. Esiste però comunque un legame fra le tensioni nei vari punti della rete, determinato dal senso dei

flussi di energia e dall’entità dei carichi, cui si può sottrarsi solo con mezzi onerosi (regolazioni in fase e

quadratura) e non usuali. Un ulteriore vincolo è determinato però dal fatto che le prestazioni del macchinario

raggiungono il loro massimo valore solo entro un campo ben delimitato attorno alla tensione nominale

(ordinariamente fra il +5 e il -5%) e si deve perciò studiare l’inserimento dei gruppi nella rete in modo da evitare la

necessità di una riduzione della potenza apparente erogata. Il campo di funzionamento in condizioni stazionarie

del regolatore deve essere compreso di norma fra l’80 ed il 110% del valore nominale.

Sistemi di eccitazione

Se si vuole aumentare (diminuire) entro certi limiti la tensione ai morsetti di un alternatore è necessario

aumentare (diminuire) la tensione ovvero la corrente di eccitazione mediante il sistema di controllo

dell'eccitazione. Le parti fondamentali di tale sistema sono illustrate nello schema a blocchi di figura sotto in cui

vengono distinti il regolatore vero e proprio di tensione e il generatore della tensione di eccitazione , detto

eccitatrice (ad esempio una dinamo), che formano il sistema di eccitazione.

La tensione ai morsetti di macchina è retroazionata all’ingresso del sistema mediante un trasduttore e

confrontata con il valore di riferimento . Il segnale differenza , detto errore di tensione viene elevato ad un

conveniente livello di ampiezza, mediante un “amplificatore di controllo” che spesso viene chiamato regolatore,

in modo tale da agire sul generatore della tensione di eccitazione. Tale amplificatore è costituito da un

amplificatore magnetico a più stadi o da un’amplidina nelle realizzazioni più antiche cioè di tipo elettromeccanico,

mentre è di tipo elettronico in quelle più moderne.

In alcune realizzazioni è necessario introdurre la retroazione transitoria tra la tensione o e l’ingresso del

regolatore al fine di migliorare il comportamento dinamico del sistema di eccitazione.

I principali requisiti dell’eccitazione devono essere tali da soddisfare la necessità di una alta sicurezza di

funzionamento e di una pronta risposta nei transitori, in quanto dal buon funzionamento del sistema, può

dipendere il mantenimento del servizio dell’alternatore e talvolta di una rete intera.

Tipi Sistemi di eccitazione

In una classificazione per grandi categorie si possono distinguere:

a) Sistemi rotanti b) Sistemi statici

a-1) con macchine in corrente continua b-1) a ponte misto

a-1.1) Dinamo eccitatrice b-2) a ponte completo

a-1.2) Amplidina b-3) a doppio ponte

a-2) con macchine in corrente alternata

a-2.1) a raddrizzatori stazionari

a-2.2) a raddrizzatori rotanti (brushless)

Sistemi rotanti con macchine in corrente continua

I sistemi di eccitazione con generatori in c.c. sono stati in parte sostituiti dai sistemi in c.a. e ora gradualmente

rimpiazzati dai sistemi di tipo statico.

a-1.1) Dinamo eccitatrice

Una dinamo eccitatrice è montata sullo stesso albero dell’alternatore, da cui riceve la potenza meccanica

necessaria. La tensione continua prodotta nell’avvolgimento indotto della dinamo viene usata per alimentare il

circuito di eccitazione dell’alternatore, mediante un sistema di contatti striscianti, formato da spazzole e anelli.

E’ stato uno dei primi dispositivi di eccitazione ad essere utilizzato nelle centrali elettriche, ed è una soluzione,

estremamente economica, diffusamente adottata fino all’inizio degli anni ‘70.

Per gruppi di potenza significativa la corrente di eccitazione richiesta dall’alternatore può assumere valori non

agevolmente “maneggiabili” dal sistema di regolazione per cui spesso la dinamo principale viene a sua volta

eccitata da una seconda dinamo (pilota), pure coassiale, di potenza alquanto inferiore, in genere del tipo a

magneti permanenti, sulla cui uscita può agire più facilmente il regolatore. In questo modo si riesce ad ottenere

un buon effetto di amplificazione del segnale di regolazione, ma si aumentano i tempi di risposta del sistema.

a-1.2 ) Amplidina

La necessità di avere eccitatrici con elevata amplificazione ed elevata velocità di risposta ha portato allo sviluppo

dell’amplidina, costituita da due stadi di amplificazione. Questa è munita di un avvolgimento di eccitazione, con

poche spire e potenza modesta, che è sufficiente a far passare nelle spazzole, chiuse fra loro in corto circuito, una

corrente dell’ordine della corrente di carico in quadratura con il flusso generato, il quale è derivato fra due

spazzole in quadratura alle prime, in serie alle quali è posto un avvolgimento di compensazione per la reazione di

indotto. La costante di tempo del circuito di eccitazione, che è alimentato da correnti bassissime, può essere

ridotta a valori trascurabili, inoltre l'amplificazione raggiunta è dell'ordine di alcune migliaia: con pochi Watt si

può perciò pilotare una potenza delle decine di kW. Alle metadinamo è inoltre facile applicare avvolgimenti

ausiliari di controllo, che consentono preziose possibilità nel campo della regolazione.

Sistemi rotanti con macchine in corrente alternata

I sistemi di eccitazione in c.a. utilizzano alternatori, usualmente di tipo coassiale, al posto delle dinamo eccitatrici.

La corrente alternata prodotta da queste macchine richiede ovviamente di essere raddrizzata per poter

alimentare l’avvolgimento di campo del generatore principale. Il sistema di raddrizzamento può essere di tipo

stazionario o di tipo rotante.

a-2.1) Sistemi a raddrizzatori stazionari

La corrente raddrizzata viene fornita all'avvolgimento di rotore del generatore tramite contatto di anelli.

Si possono utilizzare raddrizzatori non controllati dove il regolatore di tensione deve agire sul campo

dell'eccitatrice c.a. attraverso il controllo del raddrizzatore di autoeccitazione.

Quando invece vengono utilizzati raddrizzatori controllati (tiristori), il regolatore di tensione può agire

direttamente sull'angolo di innesco di questi, controllando l'uscita in corrente continua destinata all'avvolgimento

di campo principale. L'eccitatrice a.c. funziona in autoeccitazione tramite un diodo controllato e un regolatore che

mantiene al livello fissato la propria tensione di uscita. Poiché i tiristori controllano direttamente la corrente di

eccitazione principale questo sistema presente un’elevata velocità di risposta.

a - 2.2) Sistemi a raddrizzatori rotanti

Con questi sistemi viene eliminata la necessità degli anelli di contatto in quanto l’armatura d’indotto

dell’eccitatrice e i diodi raddrizzatori ruotano solidalmente al rotore del generatore. Ciò permette di risolvere i

problemi di manutenzione delle spazzole specialmente per elevate correnti di eccitazione quali si hanno nei

grandi gruppi (ad es. un gruppo da 600 MW richiede una potenza di eccitazione di circa 1MW!). Per contro risulta

più difficile la realizzazione del circuito di controllo in quanto non è possibile una misura diretta della corrente o

della tensione di campo del generatore.

Si ricorre ad un generatore rotante senza spazzole (brushless) accoppiato coassialmente con l'alternatore principale. Questo generatore

consiste in un alternatore ausiliario (eccitatrice) avente il sistema induttore allo statore e l'indotto trifase rotante, la cui corrente trifase

erogata viene raddrizzata mediante un ponte di diodi di potenza al silicio e quindi inviata agli avvolgimenti induttori dell'alternatore

principale. L'eccitatrice è quindi costituita da un alternatore trifase ausiliario il cui indotto ruota assieme ai diodi raddrizzatori e agli

avvolgimenti d'eccitazione dell'alternatore principale. La regolazione della corrente dell'eccitazione principale deve essere realizzata

tramite la corrente della eccitazione dell'alternatore ausiliario.

Sistemi statici

Il sistema più moderno di eccitazione prevede l’utilizzo di circuiti a semiconduttori: la soluzione è allettante sia

perché evita la complicazione meccanica dovuta a più macchine rotanti a corrente continua, che esigono

particolari cure di manutenzione, sia perché consente riduzioni dell’ingombro assiale del generatore o la

eliminazione di altre linee d’asse destinate alle eccitatrici. Inoltre, con l’impiego di diodi controllati (thyristors o

SCR), è possibile raggiungere velocità di risposta estremamente elevate.

L’alimentazione delle eccitatrici statiche può essere effettuato tramite linea o alternatore ausiliario oppure

ricavata dalle sbarre del gruppo principale tramite opportuno trasformatore. La prima soluzione consente la

massima indipendenza dell’eccitazione dalle vicissitudini della rete. Nella seconda accade invece che un

abbassamento transitorio della tensione ai morsetti del generatore determina una riduzione della tensione di

ceiling (quindi possibili instabilità dinamiche), inoltre nella fase di avviamento l'eccitazione della macchina deve

necessariamente provenire da una sorgente esterna. Normalmente si ricorre ad un ponte raddrizzatore a diodi di

piccola potenza, alimentato dai servizi; esso deve fornire un'eccitazione almeno corrispondente al minimo valore

della tensione a vuoto che permette il corretto funzionamento del ponte principale.

Le eccitatrici statiche a tiristori sono costituite da un ponte trifase di Graetz che può essere misto, cioè munito di

tiristori su un lato e di diodi non controllati sull’altro, completo, cioè costituito da tiristori su tutti rami, oppure

raramente si ricorre al ponte doppio.

I tre tipi di eccitatrice statica sopra citati hanno prestazioni sostanzialmente diverse: con il ponte misto non è

possibile l’inversione della tensione applicata all’avvolgimento di campo, quello completo consente l’inversione

della tensione ed il ponte doppio permette di invertire sia la tensione sia la corrente d’eccitazione

(controeccitazione).

b-1) Sistemi a ponte misto

Il funzionamento del ponte misto può essere desunto dalla figura sotto che rappresenta la tensione ai capi

dell’avvolgimento di campo, dove sono rappresentate in funzione di le tensioni concatenate e le

, ,

e tensioni di verso opposto . Si indica con l’angolo corrispondente all’innesco dei diodi controllati,

, ,

misurato rispetto a quello di conduzione naturale dei diodi.

Nel funzionamento a regime sullo stesso tiristore l’innesco viene ripetuto a intervalli di , mentre gli inneschi sui

2

(2/3)

tre rami controllabili sono sfasati tra loro di .

Poiché in un ponte raddrizzatore la conduzione avviene lungo i rami non bloccati sottoposti alla massima tensione

positiva, se ad esempio si innesca inizialmente il tiristore mentre risulta la corrente si chiude

> > 0,

attraverso , l’avvolgimento di campo e il diodo : questo percorso si mantiene fino a quando diventa >

al che si verifica una commutazione spontanea tra e .

Quando in seguito risulta la commutazione tra e avviene invece solo con l’innesco di e

>

successivamente la conduzione procede in modo analogo.

La corrente nel funzionamento a regime, è completamente spianata dall’induttanza dell’avvolgimento rotorico.

Per il valore di si annulla a tratti durante i quali la corrente, sostenuta dall’induttanza, attraversa il

> /3

diodo di ricircolo a bassa resistenza. In assenza di tale diodo la corrente passerebbe attraverso l’ultimo

tiristore innescato e il diodo della stessa fase (ad esempio dopo la semionda positiva attraverso e ) e per

conseguenza il tiristore non si spegnerebbe. Ciò provocherebbe, quando l’angolo viene portato bruscamente a

valori prossimi a , la mancata commutazione tra diodi controllati (nell’es. tra e ) e quindi anche

l’applicazione periodica al rotore di una doppia semionda positiva anziché l’annullamento della tensione.

Nota: problema nella disalimentazione del carico

Si consideri di voler disalimentare il carico tramite l’annullamento degli impulsi ai tiristori a partire da , ovvero

e si consideri la forma d’onda della corrente d’uscita, a regime, e nel caso

= 2 − /6, = 60°.

A partire dal suddetto angolo il carico viene cortocircuitato da e e ha luogo una scarica dell’induttanza. Se

l'induttanza del carico è tale che la fase di scarica ha una durata in angoli come in figura, allora la

< 120°,

corrente di uscita si annulla prima che entri in conduzione il diodo , ed effettivamente il carico viene staccato

dalla rete in quanto (annullando l'impulso di innesco) e (si è spento naturalmente perchè la corrente che

,

lo attraversava si è annullata) sono spenti e quindi si comportano come dei circuiti aperti.

Se l'induttanza del carico è tale che la fase di scarica ha una durata in angoli come in figura, allora

> 120°,

entra in conduzione il diodo che con , che non si è spento perchè la corrente non si è annullata, alimenta

nuovamente il carico e torna a far crescere la corrente. In questo modo, pur annullando gli impulsi di innesco per

tutti i tiristori, non sarà mai possibile scollegare il carico dalla rete perché non è possibile spegnere e a tale

inconveniente si aggiunge quello di una forma d'onda molto ondulata, caratterizzata com'è da successive fasi di

carica e scarica dell'induttanza.

Per evitare questo inconveniente e non essendo possibile variare la durata della scarica in quanto la induttanza

del carico è quella che è, si dispone un diodo di libera circolazione in parallelo al carico. Quindi il diodo,

rappresentando un percorso ulteriore per la corrente di scarica, va a ridurre la corrente che

attraversa durante la scarica, in modo che essa si annulli prima che si inneschi.

Esaminando l’andamento delle tensioni in uscita dal ponte, l’espressione della tensione media sul carico vale:

dove si indica il valore efficace della tensione concatenata d’alimentazione.

(Nota che se il secondo integrale fosse stato da a , allora la tensione sarebbe stata sfasata rispetto al

2 3 +

primo integrale: così facendo si compone la forma d’onda usando l’espressione di una sola tensione concatenata).

La caratteristica di controllo del raddrizzatore trifase a ponte semicontrollato è mostrata in figura sotto.

b-1) Sistemi a ponte completo

Nel caso di un ponte completo i tiristori vengono innescati con uno sfasamento tra i 6 rami di /3.

All'inizio del funzionamento bisogna evidentemente sbloccare nello stesso istante due thyristor, situati su lati

opposti del ponte, affinché il carico possa chiudersi sull'alimentazione, mentre successivamente il doppio innesco

non è più necessario ma viene egualmente ripetuto per semplicità del circuito d'accensione. Conseguentemente

sullo stesso tiristori vengono applicati due inneschi, che a regime sono intervallati di con un ciclo di .

/3, 2

Per la conduzione si svolge come in figura sotto.

< /3

Per come in figura sopra, la tensione ai capi dei due ultimi rami innescati (ad es. con e e

/3 < < /2,

in conduzione) si annulla prima della successiva commutazione (innesco di ), ma l'induttanza non consente

tuttavia l'estinzione della corrente che quindi continua a percorrere lo stesso circuito (sempre attraverso e e

), impedendo il blocco del thyristor. Ne consegue che con il ponte completo la tensione applicata al

l'avvolgimento rotorico può assumere valori istantanei negativi.

Se si varia bruscamente l'angolo d'innesco da ad il funzionamento del ponte si

< /3(= 60°) > /2(= 90°)

svolge transitoriamente nello stesso modo, ma in questo caso il valore medio della tensione diventa negativo:

accade quindi che la corrente decresce fino ad estinguersi (forzamento negativo).

Esaminando l’andamento delle tensioni in uscita dal ponte, l’espressione della tensione media sul carico vale:

La caratteristica di controllo del raddrizzatore trifase a ponte semicontrollato è mostrata in figura sotto.

Si noti che nel ponte completo non è previsto il diodo di ricircolo, in quanto esso impedirebbe il forzamento

negativo: quindi per evitare fenomeni di mancata commutazione l'angolo d'innesco non deve superare il valore di

circa . La tensione di ceiling negativa risulta cioè pari a (tratteggio nella figura sopra).

5/6 1,1 ÷ 1,2

b-1) Sistemi a doppio ponte

Il ponte doppio viene impiegato solo in casi particolari, come ad esempio per i gruppi connessi alla rete tramite

linee molto lunghe.

Grandezze caratteristiche di un sistema di eccitazione

La tensione di ceiling

La tensione di ceiling è la massima tensione di eccitazione, ne è presente una positiva e una negativa. Le tensioni

di ceiling vengono definite con riferimento alle condizioni di funzionamento nominali. La tensione di ceiling

positiva esprime la capacità del sistema di eccitazione di forzare la tensione di eccitazione per un tempo limitato

(ad esempio 1-2 sec) con l’obiettivo di migliorare la stabilità di funzionamento dell'alternatore connesso alla rete

a seguito di grandi perturbazioni quali, ad esempio, i cortocircuiti che causino bruschi abbassamenti della

tensione ai morsetti.

La risposta nominale del sistema (velocità di risposta)

La risposta nominale del sistema (velocità di risposta) rappresenta il transitorio della tensione di uscita della

eccitatrice, dal valore nominale al valore di ceiling , in corrispondenza ad una variazione a gradino della

regolazione: si definisce velocità di risposta la

( )

=2

dove è il valore di tensione ottenuto dopo 0,5 sec e per il quale si ha (ovvero si

=

costruisce un triangolo di area pari a quella della curva ).

Si considerano lente le eccitatrici in cui la velocità di risposta è inferiore a , veloci quelle in cui .

0,5 >2

I due parametri sopra riportati, che permettono una valutazione rapida, anche se grossolana, delle caratteristiche

della eccitatrice, possono essere sostituiti da un’analisi più precisa in base alla moderna tecnica dei controlli

automatici, a cui bisogna in ogni caso ricorrere quando si voglia studiare il processo di regolazione.

LA PROTEZIONE DEGLI IMPIANTI DI PRODUZIONE

E’ costituita dal sistema di tutte quelle apparecchiature destinate alla salvaguardia del macchinario di centrale e al

mantenimento della continuità del servizio. Il campo d’intervento del sistema di protezione è costituito:

 dai guasti: dove l’obiettivo è quello di mettere rapidamente fuori servizio il componente guasto e fornire

le indicazioni dei provvedimenti da adottare (selettività);

 dai funzionamenti anomali: dove il compito è quello di mettere all’erta il personale di esercizio sulla

presenza dell’anomalia in modo da intervenire oculatamente e tempestivamente.

Allo scopo di proteggere adeguatamente macchine ed impianti (in particolare quelli elettrici) sono previsti in

genere due sistemi indipendenti di difesa: la protezione principale e la protezione di riserva.

Impianto termoelettrico

Le protezioni di un impianto termoelettrico possono essere rappresentate dallo schema a blocchi seguente.

Blocco termico

Il blocco termico non interviene istantaneamente su nessuno degli altri blocchi, nello schema è stato indicato un

intervento ritardato di 480” da prevedersi per gli impianti con turbine fornite di regolatore di pressione iniziale.

Se il blocco termico è stato provocato dall’intervento di una protezione di caldaia, si ritiene opportuno

provvedere all’apertura dell'interruttore di parallelo e lasciare la turbina e l'alternatore in servizio per

l'alimentazione dei S.A. (servizi ausiliari), sfruttando l’energia accumulata in caldaia.

Se la causa di blocco può essere individuata e rimossa in un tempo ragionevolmente breve, trascorso il tempo

necessario per il lavaggio della camera di combustione, si procederà alla riaccensione dei fuochi, nel caso

contrario, dopo 480” verranno automaticamente richiesti il blocco elettrico ed il blocco turbina.

Scatto turbina

Lo scatto della turbina è provocato dall'intervento di una delle protezioni poste a salvaguardia della turbina e

provvede ad arrestare direttamente la macchina tramite la chiusura di tutte le valvole che vi adducono vapore. In

caso di scatto della turbina, poiché l’alternatore è rigidamente collegato ad essa, è impossibile lasciarlo in

funzionamento a turbina scattata, pertanto lo scatto della turbina provoca istantaneamente il blocco elettrico, a

meno che non sia ancora aperto l'interruttore di campo (in fase di avviamento).

Lo scatto della turbina, normalmente non provoca il blocco termico, che verrà effettuato solo in caso di mancato

trasferimento dei servizi ausiliari.

Blocco elettrico

Presuppone il verificarsi di un evento di natura elettrica o riguardante le apparecchiature elettriche (alternatore,

trasformatori principali, sbarre S.A.). Le azioni provocate dal suo intervento sono rivolte a separare dalla rete

l'alternatore mediante l'apertura dell'interruttore di macchina, a diseccitare l’alternatore stesso mediante

l'apertura dell'interruttore di campo, ad eseguire la commutazione automatica (ove è predisposta) dei servizi

ausiliari per assicurare ad essi l'alimentazione anche con l'alternatore fuori servizio.

L'intervento del blocco elettrico, normalmente non provoca il blocco termico, che verrà effettuato solo in caso di

mancato trasferimento dei servizi ausiliari. Lo scatto della turbina invece è inevitabile in quanto sarebbe

certamente controproducente mantenere la turbina e quindi l'alternatore a giri rischiando, in caso di guasto

dell'alternatore di peggiorarne la situazione.

Relè

Apparecchio destinato a provocare predeterminati cambiamenti di stato nei suoi circuiti elettrici d’uscita quando

si verificano particolari condizioni di alimentazione nei sui circuiti elettrici di entrata.

In base al principio di funzionamento si distinguono:

 relè elettromeccanici:

ad attrazione elettromagnetica;

o ad azione elettrodinamica ad induzione;

o termici (a striscia bimetallica, a termocoppia, ad immagine termica);

o

 relè statici:

a comparazione di ampiezza;

o a comparazione di fase;

o a microprocessore

o

Riferendosi ai relè azionati da grandezze elettriche si può scrivere l'equazione generale di equilibrio dei relè: essa

è valida indipendentemente dal principio di funzionamento utilizzato: elettromagnetico, ad induzione, a ferro

mobile, etc. Le coppie agenti (o forze agenti) sull'equipaggio mobile del relè sono della forma:

= = ( )

= = ∙ ,

= =

con:

 : costanti dell’elemento di misura;

, , , ,

 : coppia costate dovuta all’azione di una molla antagonista, agli attriti, etc…;

 : sfasamento fra la tensione e la corrente che alimentano il relè;

 : angolo caratteristico dei relè.

All’equilibrio deve essere:

=0

L'equazione generale di equilibrio e' dunque:

( )

∙ , =0

Relè di massima corrente

All’equilibrio la coppia prodotta dall’elemento azionato dalla corrente (coppia motrice) è bilanciata dalla coppia

antagonista. Per l'equazione generale d’equilibrio si può scrivere dunque che il relè interviene quando:

− >0 >

Relè a pura impedenza

All’equilibrio la coppia prodotta dall’elemento azionato dalla corrente (coppia motrice) è bilanciata dalla coppia

prodotta dall’elemento azionato dalla tensione (coppia antagonista). Per l'equazione generale d’equilibrio si può

scrivere dunque che il relè interviene quando:

− >0 = < =

la cui caratteristica nel piano (R,X) è rappresentata dalla circonferenza con centro nell’origine e raggio pari a k.

Relè a resistenza e reattanza

All’equilibrio sull’equipaggio mobile la coppia prodotta dall’elemento azionato dalla corrente (coppia motrice) è

( )

bilanciata dalla coppia prodotta dall’elemento azionato da (coppia antagonista). Per l'equazione

∙ ,

generale d’equilibrio si può scrivere dunque che il relè interviene quando:

/

)

− cos( − > 0 = < )

cos( −

la cui caratteristica nel piano (R,X) dipende da :

 per il relè diventa a pura reattanza e la caratteristica è quella di figura a sinistra;

= 90°

 per il relè diventa a pura resistenza e la caratteristica è quella di figura a destra.

= 0°

Relè Mho ad ammettenza ( )

All’equilibrio sull’equipaggio mobile la coppia prodotta dall’elemento azionato da (coppia motrice) è

∙ ,

bilanciata dalla coppia prodotta dall’elemento azionato dalla tensione (coppia antagonista). Per l'equazione

generale d’equilibrio si può scrivere dunque che il relè interviene quando:

)

cos( −

)

cos( − − >0 = < /

la cui caratteristica nel piano (R,X) è rappresentata dalla circonferenza di diametro passante per l’origine

/

degli assi e orientata in modo che il diametro che passa per l’origine formi con l’asse delle ascisse un angolo .

Protezione differenziale di macchina (generatori e trasformatori)

Le protezioni differenziali di macchina consentono di proteggere parti di impianto mediante comparazioni di

grandezze e controllo della loro differenza: quando questa sia diversa da zero la protezione interviene segnalando

il guasto e/o aprendo il circuito. Le grandezze da confrontare devono avere una differenza nota:

∙ − ∙ =

dove i fattori e sono i rapporti di trasformazione complessi dei trasduttori (TA).

Poiché la sensibilità delle protezioni differenziali di macchina è legata alla differenza tra grandezze, la messa a

punto del sistema di protezione risulta molto delicata e particolarmente sensibile agli errori.

Per tener conto delle cause di errore ed evitare interventi intempestivi della protezione occorre de-sensibilizzare

la protezione stessa fino a “coprire” la fascia dei possibili errori. In pratica, oltre al controllo della differenza =

, è necessario misurare la media delle correnti:

∙ − ∙

∙ + ∙

= 2

che può essere definita come “corrente passante”.

Occorre quindi diminuire progressivamente la sensibilità della protezione all’aumentare di secondo le

caratteristiche di intervento. La curva A presenta una sensibilità ( )maggiore della curva B ( ) poiché a parità di

corrente passante serve una minore per far intervenire la protezione rispetto a .

∆ ∆

Occorre perciò rendere programmabile la retta di intervento trasformandola in una successione di segmenti

(spezzata) a pendenza diversificata: muovendosi verso correnti passanti maggiori occorre impostare maggiori e

quindi sensibilità minori.

Protezione del generatore

Il generatore costituisce una delle parti più delicate e costose del sistema elettrico, perciò quando si pensa alla

sua protezione si prendono in considerazione, oltre ai guasti ed i funzionamenti anomali, anche le eventuali

lunghe indisponibilità e i forti costi di riparazione che seguono. L'affidabilità dei sistemi di protezione dei

generatori viene pertanto particolarmente curata.

Il sistema di protezione di un generatore è costituito da una somma di singoli sistemi di protezione, ciascuno dei

quali fa fronte ad un guasto o ad un funzionamento anomalo ben definiti della macchina.

I sistemi di protezione dei generatori devono fare fronte a:

 guasti interni;

 guasti esterni;

 funzionamenti anomali.

Guasti interni nei generatori e relativi sistemi di protezione

Sono guasti interni i guasti che si verificano negli avvolgimenti di macchina e nel sistema di regolazione della

tensione.

I guasti plurifasi negli avvolgimenti sono rilevati per mezzo di una delle seguenti protezioni:

 differenziale;

 massima corrente;

 minima impedenza.

I guasti monofasi vengono invece rilevati mediante:

 la protezione di terra statorica;

 la protezione contro i guasti tra le spire della stessa fase (per certe costruzioni del generatore).

Protezione differenziale del generatore Codice: 87G

La protezione differenziale è universalmente impiegata per i generatori di media e grossa taglia; per quelli di

piccola taglia è invece considerata sufficiente una semplice protezione di massima corrente.

Protezione differenziale Molte delle moderne unità generatrici hanno l'alimentazione dei

servizi ausiliari di gruppo derivata dal montante MT di macchina. Nelle

centrali termiche il trasformatore di blocco (così viene chiamato il

trasformatore dei servizi ausiliari) ha una potenza normalmente pari al

68% di quella del generatore.

In questo caso la differenziale totale (87 GT) è a tre ingressi: riduttori

AT, riduttori sul centro stella del generatore e riduttori del

trasformatore di blocco. Se trascurassimo di portare alla differenziale

le correnti che attraversano il trasformatore di blocco, la protezione

sarebbe continuamente interessata da una corrente differenza il cui

valore dipende dal carico dei servizi ausiliari che in certi momenti (as.

su avviamento di motori di notevole potenza) può essere notevole e

potrebbe portare all'Intervento della protezione stessa. A sua volta il

trasformatore di blocco può essere protetto con differenziale propria.

Nel caso di unità generatrici idroelettriche il trasformatore dei servizi

ausiliari derivato dal montante di macchina è di potenza modesta:

circa il 21% di quella del generatore stesso. In questo caso non importa

portare alla protezione differenziale totale le correnti del

trasformatore dei servizi ausiliari; se ne tiene conto in sede di taratura

della protezione diminuendone la sensibilità.

Protezione di massima corrente ad azione rapida Codice: 50

Nei gruppi di piccola potenza, contro i cortocircuiti plurifasi, al posto della protezione differenziale si ricorre

spesso ad un relè a massima corrente alimentato dai TA installati sul centro stella del generatore, questa

protezione non è efficace come la differenziale ma è più economica.

In certi casi si protegge l'intero gruppo generatore con la protezione 50T a massima corrente alimentata dai

riduttori installati sul montante ad AT del trasformatore elevatore. Infatti, quando la potenza di cortocircuito della

rete è notevolmente superiore rispetto a quella del gruppo, la corrente per guasto plurifase sulla MT di gruppo

fornita dalla rete è molto più grande di quella generata dal gruppo per guasto plurifase sulla AT. Pertanto la

protezione 50T diventa intrinsecamente direzionale quando venga tarata per una corrente compresa tra ed .

Il suo intervento a tempo istantaneo integra la protezione 50G nella funzione di copertura dei circuiti a media

tensione del generatore.

Inoltre la taratura in corrente di detta protezione diventa difficoltosa in situazioni di non efficace messa a terra dei

neutri della rete AT: il trasformatore elevatore ha di norma gli avvolgimenti a triangolo/stella con neutro a terra

pertanto la corrente omopolare che attraversa l'avvolgimento a stella del trasformatore, per guasti a terra in rete

molto vicini, può essere notevole e superiore alla corrente sopradetta e di conseguenza può provocare

l'intervento indesiderato della massima corrente 50T.

Protezione di minima impedenza Codice:21

La protezione di minima impedenza opera tramite la comparazione delle misure di tensione e corrente. Essa invia

un comando di scatto quando il rapporto di queste due grandezze è minore di un valore impostato. Questa

protezione ha caratteristica circolare o quadrangolare nel diagramma (R;X) (vedi relè ad impedenza).

Nell’esempio di figura la protezione viene alimentata da una tensione concatenata dalle sbarre a media tensione

del generatore e da una delle correnti di fase relativa

a detta tensione.

La posizione dei TA di misura stabilisce qual è la direzione di

sensibilità della protezione. Se i TA sono posti sui morsetti del

generatore, la protezione può coprire solo la zona del generatore

o la zona della rete, ma non entrambe. Se invece i TA di misura

sono posti sul lato centro stella del generatore, come accade nella

maggioranza dei casi, la direzione di misura è quella del

generatore e la sua estensione può essere tale da coprire guasti

nel solo generatore, nel generatore e nel trasformatore

elevatore, oppure può arrivare fino alla rete esterna.

Nella sua versione più completa ha due gradini di intervento. Il primo gradino è sensibile ai guasti plurifase che si

verificano sulle sbarre a media tensione della macchina e nelle prime spire degli avvolgimenti del generatore e

trasformatore elevatore. Costituisce, pertanto, una riserva diversificata alla protezione differenziale. Esso viene

tarato a tempo base oppure con un modesto ritardo (0,1-0,2 sec) al solo scopo di distinguere l'intervento da

quello della differenziale. La taratura in impedenza del primo gradino non deve essere superiore al 70%

dell'impedenza di cortocircuito del trasformatore elevatore in modo da rimanere insensibile ai guasti di qualsiasi

tipo che avvengono sulle sbarre ad AT o nelle immediate vicinanze sulle linee di trasporto in partenza dalle sbarre

stesse.

Il secondo gradino ha invece una duplice funzione: coprire la zona compresa tra i riduttori di corrente lato AT e

l'interruttore lasciata scoperta dalla differenziale ed agire come riserva alla protezione distanziometrica lato AT.

Protezione di terra statorica Codice: 64s

Sistemi di protezione al 90%

Un criterio per rivelare il contatto a terra degli avvolgimenti o delle sbarre a MT del generatore è quello di

affidarsi alla tensione omopolare. Questa può arrivare a valori prossimi alla tensione di fase se il guasto è vicino ai

morsetti del generatore mentre diminuisce progressivamente man mano che il guasto si verifica vicino al centro

stella. Quindi, il modo più semplice per proteggere dai guasti verso massa gli avvolgimenti del generatore e le

sbarre MT del generatore stesso è quello di installare un relè di tensione omopolare alimentato da una terna di

TV con un secondario collegato a triangolo aperto. Il relè interviene quando la tensione omopolare supera la

soglia di taratura. Questa protezione ha però un limite: non rileva guasti a terra vicini al centro stella del

generatore, di conseguenza la zona di copertura del relè è di circa il 85-90% dell'intero avvolgimento statorico.

Un diverso sistema di protezione, basato sul rilievo della corrente anziché della tensione è quello dove un relè di

massima corrente omopolare è posto sul collegamento di messa a terra ed avverte la circolazione della corrente

di guasto a terra dalla corrente omopolare e ad essa proporzionale.

I relè utilizzati nei casi devono essere opportunamente filtrati in modo da eliminare le componenti armoniche di

disturbo presenti nei segnali di tensione e di corrente impiegati nella misura. Giova ricordare che componenti di terza

armonica sono sempre presenti nelle tensioni generate e che dette componenti, attraverso le capacità verso massa degli avvolgimenti di

statore delle sbarre MT del generatore e degli avvolgimenti del trasformatore elevatore, fanno circolare una corrente di terza armonica che

si richiude sul collegamento a terra del centro stella del generatore.

Sistemi di protezione al 100%

Attraverso una alimentazione separata ed un trasformatore ausiliario si introduce nel collegamento di messa a

terra del centro stella una tensione a bassa frequenza (15-25Hz). Il circuito realizzato viene percorso da corrente

solo nel caso che sopravvenga un guasto a terra in un qualsiasi punto dello statore compreso il centro stella. Un

relè a massima corrente di adeguata sensibilità misura tale corrente di circolazione rilevando così la presenza del

guasto. Questo metodo riesce a proteggere completamente gli avvolgimenti di statore dai guasti monofase.

La protezione di 100% terra statore con iniezione di sub-armoniche funziona tramite l’iniezione di una tensione sinusoidale a 12,5 Hz o 20

Hz sugli avvolgimenti di statore, la quale si sovrappone alla normale tensione sinusoidale a 50 Hz o 60 Hz di funzionamento. La protezione

funziona tramite la misura di tensione e corrente a 12,5 Hz o 20 Hz e calcola il valore della resistenza di guasto: se questo valore supera una

soglia impostabile si ha l'intervento della protezione. L’utilizzo di sub armoniche ha il vantaggio di aumentare la sensibilità della protezione,

a causa di un aumento dell’impedenza costituita dalle capacità verso terra dello statore rispetto all’alimentazione con tensione a 50 Hz o

60 Hz. La protezione è inoltre indipendente dalle condizioni di carico, dalla tensione e dalla frequenza.

Guasti esterni e relativi sistemi di protezione

Si definiscono guasti esterni quei guasti che si verificano sulla rete AT cui è collegato il generatore. La loro

mancata eliminazione nei tempi previsti dai sistemi di protezione specifici di rete comporta sollecitazioni

elettrodinamiche e armoniche del generatore non sostenibili oltre certi limiti.

Il generatore viene pertanto munito di protezioni che devono essere in grado di sentire tali guasti ed intervenire

comandando lo scatto dell'unità al perdurare di essi. Dette protezioni sono di due tipi:

 massima corrente, per i gruppi di piccola taglia;

 distanziometriche, per i gruppi di grossa potenza.

Funzionamenti anomali e relativi sistemi di protezione

Per funzionamenti anomali si intendono quei regimi, anche simmetrici ed equilibrati, che pongono la macchina al

di fuori delle prestazioni consentite dal costruttore e potrebbero costituire situazioni di pericolo.

Massima tensione Codice: 59

La protezione è alimentata dai riduttori di tensione del generatore ed interviene per tensioni elevate a

salvaguardia dell'isolamento degli avvolgimenti del generatore stesso.

Essa fa fronte ad eventuali guasti o anomalie che si possono verificare nel sistema di regolazione della tensione

del generatore il quale non deve essere disturbato da interventi indesiderati del relè durante la normale azione di

aggiustamento dei livelli di tensione, ad esempio in caso di distacco del carico dove la tensione ai morsetti

aumenta a causa dell’accelerazione.

Per ottemperare a questa esigenza la protezione è provvista normalmente di due gradini che comandano

entrambi il blocco del generatore:

I. gradino: intervento istantaneo tarato ad 1,4-1,5

II. gradino: intervento ritardato tarato a 1,15-1,25 .

dove è la tensione nominale del generatore.

Protezione di massimo flusso Codice: 59 F

In fase di avviamento o di fermata della macchina, con un interruttore aperto, si può presentare un aumento

repentino del flusso nel circuito magnetico del generatore e del trasformatore elevatore.

L'aumento del flusso è dovuto all'azione del regolatore automatico di tensione, se esso è inserito, oppure ad

errore umano se l'operatore opera direttamente sulla macchina.

Un flusso eccessivo comporta perdite per isteresi e correnti parassite che localmente possono provocare

sovrariscaldamenti.

Il sistema di protezione contro l'eccessivo flusso può essere realizzato in due modi:

1. con relè di massima tensione asservito ad un relè di minima frequenza (l’intervento contemporaneo dei

due relè indica che siamo in presenza di valori di flusso indesiderabili);

2. con un unico relè in grado di misurare il rapporto .

∆ /∆

In fase di avviamento o di fermata della macchina il regolatore di tensione agisce per portare la macchina alla tensione nominale.

Considerato che la tensione indotta nello statore, indicando con la frequenza, con il flusso concatenato fra statore e rotore e con il

numero delle spire di statore è:

= 4.44 => ∝ /

Per valori bassi di frequenza il regolatore di tensione forza l'eccitazione aumentando il flusso.

Protezione contro la perdita di campo Codice: 40

Le principali cause di perdita di campo per i generatori ad eccitatrice rotante sono:

 perdita di campo nell'eccitatrice principale;

 apertura intempestiva dell'interruttore di campo;

 guasti alle spazzole;

 corto circuito nel circuito di campo.

Le principali cause di perdita di campo per i generatori ad eccitazione statica sono:

 mancata alimentazione del trasformatore dell'eccitatrice;

 guasto al raddrizzatore;

 guasto al sistema di regolazione della eccitazione.

Alla mancanza della corrente di campo si annulla la f.e.m. generata e pertanto si annulla la potenza reattiva

erogata (potenza induttiva del campo magnetico induttore). La macchina accelera passando dal funzionamento

come generatore sincrono a quello da generatore asincrono. Il generatore cerca di portarsi ad uno scorrimento

tale da ripristinare l'equilibrio fra potenza meccanica del motore primo e la potenza elettrica erogata.

Nel rotore le gabbie smorzatrici vengono ad essere percorse da correnti indotte con conseguente aumento della

temperatura (gli avvolgimenti smorzatori dei generatori non sono progettati per sopportare permanentemente

un transito di corrente). Nello statore le correnti aumentano fino a 2 4 volte la corrente nominale di macchina a

seconda dello scorrimento raggiunto, quindi anche lo statore si surriscalda. Queste sovracorrenti sono dovute alla

potenza reattiva assorbita dal generatore nella sua marcia asincrona: la potenza reattiva assorbita dalla macchina

può ammontare a 2 4 volte la potenza nominale del generatore.

Nota: Macchina asincrona

Ipotesi iniziale:

 Rotore inizialmente fermo senza coppia esterna applicata all’albero

 Assenza di perdite meccaniche per attrito

Meccanismo di avviamento:

 Alimentazione statore ( e creazione di un campo rotante (velocità ) generato dalla corrente

)

 Circolazione della corrente indotta nei conduttori di rotore che si trovano immersi in un campo (di

statore) perpendicolare ad essi

 Per la legge di Lorentz i conduttori di rotore sono sede di forze tangenziali create dalle correnti indotte nel

rotore ( ), che per la legge di Lenz si oppongono alla causa che le ha prodotte (campo di statore)

 Le forze danno luogo ad una coppia motrice che tende a ridurre la velocità relativa ( ) tra il campo

di statore e il rotore e corrispondentemente la corrente (per il principio di azione e reazione per

opporsi alla causa che ha prodotto il movimento il rotore deve ruotare alla stessa velocità del campo di

statore)

 Velocità di rotore condizione teorica poiché deve essere sufficiente a sviluppare

→ => → 0

una coppia motrice che mantiene il rotore in rotazione vincendo gli attriti

 Nella pratica la velocità finale di rotore con

< 0

Applicazione di una coppia motrice:

 Condizione iniziale con rotore alla velocità con corrente indotta nei conduttori di rotore = 0;

 Applicazione di una coppia motrice all’albero, tende ad aumentare oltre con conseguente

presenza di correnti indotte nel rotore e produzione di coppia frenante che tende ad equilibrare

quella motrice

 Punto di lavoro alla velocità in cui le coppie si bilanciano con funzionamento da GENERATORE

>

Lo scorrimento è pari a:

=

dove è la velocità del campo rotante di statore e la velocità di rotore.

Nel generatore sincrono poiché , mentre nel generatore asincrono poiché .

= 0, = < 0, >

Nota: Macchina sincrona

Se la coppia varia bruscamente, per effetto dell’inerzia delle masse rotanti il valore dell’angolo di coppia ,

corrispondente alle nuove condizioni di carico, non viene raggiunto istantaneamente ma attraverso una serie di

oscillazioni di carattere pendolare. Per attenuare queste oscillazioni e provocarne il rapido smorzamento, è

conveniente aumentare i fenomeni dissipativi: si utilizzano spesso circuiti smorzatori, costituiti da una serie di

sbarre di rame infilate nelle espansioni polari e corto circuitate alle estremità da due anelli frontali (avvolgimento

a gabbia). Ogni qualvolta che l’induttore accelera o ritarda rispetto al campo rotante (nel nostro caso ritarda),

generato dalle correnti dell’indotto, si inducono nel circuito smorzatore delle correnti che esercitano, per la legge

di Lenz, un’azione frenante o accelerante.

L'effetto combinato della potenza reattiva improvvisamente richiamata dalla rete e della potenza reattiva non più

fornita, è causa di una "buca di tensione" in rete nella zona limitrofa al generatore stesso. Il ristabilimento

dell'equilibrio nel sistema elettrico avviene attraverso un transitorio di oscillazioni elettromeccaniche e possibili

perdite di passo e di alcune macchine. Naturalmente il fenomeno è tanto più marcato quanto più grande è la

potenza della macchina che ha perduto l'eccitazione.

Per rilevare la perdita di eccitazione si può ricorrere a tre soluzioni:

1. relè che controllano direttamente le grandezze rotoriche;

Questa soluzione prevede relè che controllano le grandezze di campo: relè di minima corrente rotorica e di

massima resistenza rotorica. I primi controllano che la corrente di campo non scenda sotto un certo valore limite;

i secondi mediante una misura del rapporto controllano che la resistenza del circuito di eccitazione

/ =

non divenga infinita per annullamento della .

2. relè alimentati dalle grandezze statoriche con misura della potenza reattiva assorbita dal generatore;

3. relè previsti normalmente per altri scopi quali ad esempio relè contro la velocità di fuga e/o relè di

massima corrente.

La figura illustra i collegamenti di un relè di perdita di campo che si affida alla misura di resistenza del circuito di

eccitazione del generatore. Questi relè hanno un inconveniente: non permettono al generatore di funzionare a

corrente di eccitazione di basso valore come nel caso della messa in tensione di una linea a vuoto oppure nel caso

in cui al generatore venga richiesto di assorbire una notevole potenza reattiva per regolare una tensione di rete

troppo alta. In altre parole questi relè non si adattano bene al diagramma delle prestazioni del generatore e di fatto ne limitano i

funzionamenti possibili. Attualmente non sono molto utilizzati ed hanno lasciato il passo a relè alimentati da grandezze statoriche

specialmente per macchine di grossa taglia.

Per relè alimentati dalle grandezze statoriche con misura della potenza reattiva assorbita dal generatore, la figura

mostra nel piano (R;X) la caratteristica di intervento del relè e il luogo indicativo delle impedenze viste ai morsetti

del generatore in caso di improvvisa perdita dell’eccitazione partendo dalla condizione iniziale di

funzionamento a regime della macchina, fino alla condizione finale di funzionamento del generatore in marcia

asincrona. Il punto cade entro la caratteristica di intervento del relè al quale è affidato il compito di distaccare

la macchina dalla rete, normalmente con un certo ritardo. La caratteristica di intervento ed il ritardo vanno

stabiliti in funzione delle caratteristiche del generatore e di quelle dei regolatori di tensione e di velocità e della

ubicazione della macchina nel sistema elettrico. ( è l’impedenza sincrona dell’alternatore e la reattanza

transitoria)

Altri tipi di protezioni contro la perdita di passo prevedono

due caratteristiche di intervento ad impedenza: la prima da

solo un allarme, l’altra comanda lo scatto dell’unità.

Protezione contro i carichi squilibrati Codice: 46

Si supponga che un guasto dissimmetrico in rete non sia stato eliminato (l'evento più probabile è rappresentato

da un guasto serie non rilevato dalle protezioni di rete) oppure che il carico allacciato al generatore non sia

equilibrato. Questo comporta uno squilibrio nelle correnti statoriche con presenza di una componente inversa .

Un sistema inverso di correnti applicato agli avvolgimenti statorici crea un campo rotante in senso opposto a

quello diretto e al moto del rotore. Come conseguenza si hanno delle correnti di frequenza doppia indotte nel

rotore le quali possono surriscaldare le gabbie smorzatrici allentandone gli ancoraggi e provocando danni anche

irreparabili. È necessario quindi proteggere adeguatamente il generatore contro i carichi squilibrati consentendoli

solo nella modesta percentuale tollerata dalle caratteristiche costruttive del rotore.

Il relè che fa fronte allo scopo è un relè di massima corrente a tempo dipendente (protezione di massima corrente

ad azione ritardata 51) alimentato dalla corrente inversa: esso permette un piccolo squilibrio dovuto anche alla

dissimmetria del sistema elettrico ed interviene con un certo ritardo (qualche secondo) quando è superato questo

limite. Il ritardo è necessario per permettere ad altre protezioni di intervenire selettivamente quando lo squilibrio

è generato da un guasto sulla rete esterna. Il relè contro i carichi squilibrati si limita ad aprire l’interruttore della

macchina che rimane pronta a riprendere il parallelo. Un elemento importante in questa protezione è costituito

dal filtro di corrente alla sequenza inversa necessario per alimentare il relè di massima corrente sopra detto.

Dato che sulla sbarra di MT del generatore la corrente omopolare per guasto esterno è nulla ( = + + =

grazie agli avvolgimenti (stella (con centro stella a terra)/triangolo) del trasformatore elevatore, dalla

0),

definizione di componente inversa di un sistema trifase di correnti ( ) si ha:

, ,

1

= + +

3

Essendo nulla la allora si ha:

=− − °

per cui essendo = = cos(120°) + sin(120°) = −1/2 + √3/2:

1 √3 √3

° ° ° °

(1 ) ( )

= − + − = + = +

3 3 3

da cui si ricava:

° °

+ = √3

Con il filtro illustrato in figura si ottiene agli estremi X,Y una tensione a vuoto pari a:

° °

= + = ∙ √3

proporzionale alla componente inversa della terna di correnti.

Il relè a massima corrente viene dunque azionato dalla corrente I proporzionale alla sola componente inversa del

X

sistema trifase di correnti.


ACQUISTATO

2 volte

PAGINE

92

PESO

13.92 MB

AUTORE

Albevic

PUBBLICATO

+1 anno fa


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in ingegneria elettrica
SSD:
Università: Padova - Unipd
A.A.: 2018-2019

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Albevic di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Impianti di produzione dell'energia elettrica e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Padova - Unipd o del prof Caldon Roberto.

Acquista con carta o conto PayPal

Scarica il file tutte le volte che vuoi

Paga con un conto PayPal per usufruire della garanzia Soddisfatto o rimborsato

Recensioni
Ti è piaciuto questo appunto? Valutalo!

Altri appunti di Corso di laurea magistrale in ingegneria elettrica

Riassunto Misure elettriche: Teoria ed esercizi
Appunto
Appunti sistemati di conversione statica dell'energia elettrica
Appunto
Riassunti Impianti elettrici, prof. Roberto Benato
Appunto
Riassunto teoria di Controlli automatici
Appunto