Appunti Sistemi Elettrici per l'Energia

Sistemi elettrici per l’energia

Appunti a cura di Guerrera Alessandro

e

2 La rete di trasmissione subtrasmissione nazionale

Indice

La rete di trasmissione e subtrasmissione nazionale ................................................................................ 3

Esempio flussi paralleli (unscheduled fluxes) ............................................................................................ 8

Apparecchiatura AT di stazione ............................................................................................................ 10

Schemi di stazione ................................................................................................................................... 10

Organi di manovra ................................................................................................................................... 14

Apparati di misura ................................................................................................................................... 23

Scaricatori di sovratensione (Surge Arrester) .......................................................................................... 27

Trasformatori e autotrasformatori .......................................................................................................... 29

Dispositivi di compensazione .................................................................................................................. 30

Protezioni di linea .................................................................................................................................... 34

Cavi di alta tensione ............................................................................................................................. 44

Struttura del cavo ........................................................................................................................................ 44

Cavo terrestre .......................................................................................................................................... 44

Cavo sottomarino .................................................................................................................................... 46

Collegamento a terra ................................................................................................................................... 47

Solid Bonding ........................................................................................................................................... 47

Sectionalized Cross Bonding .................................................................................................................... 47

Richiami sulla corrente alternata .......................................................................................................... 49

Bilancio reattivo di una linea ....................................................................................................................... 49

Valutazione dei limiti alla potenza trasmissibile: le curve di “loadability” ............................................. 52

La compensazione serie e derivata ............................................................................................................. 53

Compensazione distribuita ...................................................................................................................... 54

Compensazione concentrata ................................................................................................................... 56

Limiti della compensazione derivata e gradi di compensazione critici ................................................... 62

Compensazione derivata dei cavi di alta tensione: limiti di lunghezza ed esercizio ............................... 73

La stabilità di tensione ......................................................................................................................... 83

Classificazione delle perturbazioni .............................................................................................................. 84

Valutazione della potenza massima trasmissibile ....................................................................................... 84

Caso senza perdite ................................................................................................................................... 88

VCPI .............................................................................................................................................................. 90

Limite alla compensazione capacitiva ......................................................................................................... 91

Ripristino dei carichi .................................................................................................................................... 92

Regolazione della tensione .......................................................................................................................... 92

e

La rete di trasmissione subtrasmissione nazionale 3

La matrice delle impedenze ............................................................................................................... 94

Modifica della matrice ............................................................................................................................. 98

HVDC – High Voltage Direct Current Electric Power Transmission System ............................................ 103

Generalità .................................................................................................................................................. 103

Componenti dei sistemi LCC ...................................................................................................................... 109

Trasformatori ......................................................................................................................................... 109

Valvole ................................................................................................................................................... 112

Bobina di spianamento .......................................................................................................................... 113

Filtri di armoniche AC ............................................................................................................................ 113

Conduttore di ritorno ............................................................................................................................ 120

Organi di misura .................................................................................................................................... 122

Richiami sulla conversione statica con sistemi LCC ................................................................................... 122

Controllo della trasmissione LCC ............................................................................................................... 126

Regime permanente .............................................................................................................................. 126

Obbiettivi generali del controllo ............................................................................................................ 127

Mezzi di regolazione .............................................................................................................................. 128

Caratteristiche di controllo .................................................................................................................... 128

Limiti di corrente ................................................................................................................................... 132

Esempio di applicazione ............................................................................................................................ 134

La rete di trasmissione e subtrasmissione nazionale

e

4 La rete di trasmissione subtrasmissione nazionale e

La rete di trasmissione subtrasmissione nazionale 5

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

e

6 La rete di trasmissione subtrasmissione nazionale

I livelli di tensione massimi e nominali normalizzati principalmente utilizzati nel mondo sono riportati in

tabella: DE,AU,NORD US UK EX ITALIA RUSSIA, EAST USA,

EUROPA URSS CANADA,WEST BRA,SUDK

USA

[]

123 300 362 420 245 170 145 550 765

[]

110 275 330 380 220 150 132 500

[]

115 345 400 525

,

Generalmente si riferisce al valore della tensione massima di funzionamento per determinare la taglia

dei componenti della rete.

La rete di trasmissione nazionale conta 800 nodi di altissima tensione, su 10000 della rete europea di cui fa

parte, insieme alle reti di altri 42 TSO di altre 32 nazioni costituenti il network degli operatori di rete europeo

(ENTSO-E). Esistono ad oggi 15 linee che ci interfacciano con l’estero. e

La rete di trasmissione subtrasmissione nazionale 7

La rete di trasmissione è di tipo magliato e esercita magliata (lunghezza media delle linee 80 km), con tutti

gli interruttori di linea chiusi. Essa alimenta attraverso degli autotrasformatori (ATR) 400/230 kV– 400 MVA

oppure 400/155 kV – 250 MVA o ancora 400/135 kV – 250 MVA con variatore di rapporto e neutro connesso

francamente a terra (per contribuire alla messa a terra efficace del neutro) la rete di subtrasmissione. La rete

a 220 kV viene perciò utilizzata a livello di subtrasmissione più che trasmissione; viene utilizzata per la

trasmissione qualora non ho a disposizione il 400 kV.

La taglia dell’ATR (che è normalizzata) determina la potenza che riesce ad erogare all’isola a valle di esso

(50% del carico massimo). In trasmissione si attua il criterio della sicurezza n-1, per cui si rende il sistema

ridondante per sopperire a qualsiasi perdita di un singolo elemento in modo da continuare ad alimentare il

carico in caso di un guasto. Perciò ogni nodo AAT non è mai alimentato da una sola linea e una rete di

subtrasmissione non è mai alimentata da un solo ATR. Come detto gli ATR alimentano la rete di

subtrasmissione che trasporta l’energia a livello regionale alle cabine primarie AT/MT. Il punto debole delle

reti di sub sono gli ATR, soprattutto perché provvisti di variatore. Essi possono essere caricati

continuativamente soltanto sotto al 50% della potenza nominale perché in caso di perdita di una unità

devono poter sopperire alla richiesta del carico di tutta la sbarra AT (si chiude il congiuntore di sbarra).

Per scongiurare situazioni critiche ogni 5 minuti viene fatto il load-flow sulla rete di trasmissione simulando

volta per volta singole contingenze e verificando i limiti di tensione e corrente su tutti i componenti.

Attraverso uno schema entra-esci le linee di subtrasmissione alimentano le cabine primarie, che effettuano

la trasformazione AT/MT attraverso trasformatori tradizionali con primario a triangolo (abbatte l’impedenza

omopolare lato AT e isola la rete omopolare AT da quella MT) e secondario tipicamente a stella con neutro

compensato (bobina di Petersen + resistenza, per annullare le correnti di guasto nel punto di guasto delle

reti MT migliorando la continuità di esercizio) con variatore di rapporto (è l’elemento più a valle che permette

la regolazione della tensione). Ogni cabina primaria fornisce energia per decine di migliaia di persone. Lo

schema entra-esci garantisce una magliatura elementare con una sicurezza n-1, poiché ogni CP è collegata

all’altra o alla stazione AT/AAT da linee indipendenti, ossia provviste di organi di manovra a inizio e fine linea.

In caso di guasto su una linea che alimenta la CP, questa può essere eliminata dal servizio agendo sugli

interruttori e la cabina può essere alimentata al rovescio dall’altra stazione AT/AAT. Nessun carico è

disalimentato per guasto in linea in AAT/AT; la situazione più critica si ha invece per guasto su sbarra (devo

movimentare molti interruttori ma comunque posso perdere il carico per gusto su sbarra lato alta).

Da ogni cabina primaria origina una o più reti MT, ognuna collegata ad una sbarra alimentata da un singolo

TR ma con la possibilità di congiungere le sbarre (ad ogni semisbarra è associata una rete di distribuzione

MT). Le reti MT sono perciò di tipo magliato (o almeno verso questa tipologia si tende) ma esercite

radialmente tenendo aperto un congiuntore generalmente a metà linea. Una linea MT parte tipicamente

dalla sbarra MT di una CP e arriva alla sbarra MT di un’altra cabina primaria alimentando nel tragitto un certo

numero di cabine secondarie attraverso il solito schema entra-esci. La suddivisione in tronconi delle linee MT

permette, oltre ad alimentare le CS a rovescio in caso di guasto su una linea MT, anche una facile

individuazione del guasto attraverso delle semplici sequenze sugli interruttori di manovra-sezionatori (IMS)

che collegano i tronconi.

Dalla sbarra MT della CS in poi generalmente non ho più ridondanze (le CS in Italia sono più di 400 000) per

cui le contingenze diventano più frequenti ma i danni risultano relativamente bassi. Dalle CS nascono le reti

pubbliche di distribuzione BT, con natura radiale ed esercizio radiale.

Il motivo per cui si cerca di non esercire magliate le linee MT è dovuto ai flussi di potenza indesiderati che

possono verificarsi tra sbarre MT a diversa tensione o separazione angolare. In più essendo per lo più linee

in cavo risulterebbe difficile l’individuazione del guasto.

e

8 La rete di trasmissione subtrasmissione nazionale

Esempio flussi paralleli (unscheduled fluxes)

Questo fenomeno determina il caricamento di uno dei due trasformatori che alimenta l’isola e lo

=12,5%

scaricamento dell’altro. Ipotizziamo due ATR da 250 MVA, 400/135 kV, che alimentano 3 linee

%

= 0,4 /

a 135 kV in parallelo con reattanza lunghe 80 km ciascuna. La stazione di sinistra ha una

tensione in anticipo rispetto alla tensione della stazione di destra. 12

= ⋅ = ⋅ = 640 ⋅

Gli autotrasformatori contribuiscono lato 400 kV con una reattanza % %

0,125 = 80 . = 33

Ciascuna linea a 135 kV ha una reattanza di e quindi insieme contribuiscono con

2

= 11 . = 2 ⋅ + ≈ 260 ,

In totale lato 400 si hanno che è proprio la reattanza che va a

limitare i flussi paralleli (equivale a 1000 km di linea a 400 kV). Considerando lato 400 kV 100 km di linea

= 0,27 → = 26 )

( si ottiene una ripartizione delle potenze:

400 400

260 10

= = =

400 + 286 11

400

26 1

400

= = =

135 + 286 11

400

Perciò le potenze si ripartiscono in maniera inversamente proporzionale alle reattanze. Se ho 1000 MW che

viaggiano dalla sbarra in anticipo a quella in ritardo sulla rete a 400 kV ho circa 100 MW sulla rete di

subtrasmissione con lo stesso verso. Questo significa che se ognun trasformatore forniva 125 MW alla rete

di sub ora quello della sbarra in anticipo sarà più caricato (225 MW) mentre quello della sbarra in ritardo sarà

= 250 ),

scaricato (25 MW). In questo caso ho una situazione non pericolosa ( ma può diventarlo in

2

̇

=

caso di perdita del collegamento a 400 kV (all’aumentare della potenza diminuisce). Inoltre, data

la tendenza a cavificare le linee di subtrasmissione la reattanza si abbassa ulteriormente (da

Ω Ω

0,4 0,11 ). È perciò importante valutare i flussi paralleli nel caso di modifica o potenziamento della

rete. e

La rete di trasmissione subtrasmissione nazionale 9

NOTA: dato che non conosco a priori la ripartizione del carico tra i due ATR non è corretto approssimare il

carico a valle delle stazioni AAT e AT come dei carichi (P,Q). L’approssimazione è invece eccellente per le

cabine primarie, dove i trasformatori variano le prese per mantenere costante la tensione lato MT e quindi

impongono al carico un funzionamento a P e Q costante. Perciò qualora sia possibile meglio simulare

trasmissione e subtrasmissione insieme, approssimando le cabine primarie come carichi (P,Q).

10 Apparecchiatura AT di stazione

Apparecchiatura AT di stazione

Schemi di stazione

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

Planimetria di stazione:

Configurazioni di stazione:

1) A semplice sbarra 2) A doppia sbarra

12 Apparecchiatura AT di stazione

1) A semplice sbarra

• Di più semplice concezione ma minore elasticità e sicurezza (adatto per stazioni minori e con pochi

stalli), sistema tipico per le CP;

• Nel caso di manutenzione è necessario interrompere il servizio di singoli montanti o dell’intera

stazione. L’elasticità dello schema è aumentata se si aggiungono più sezionatori di sbarra;

• Un guasto su sbarra mi può far perdere l’intera stazione;

• = 1).

Si hanno tanti interruttori quanti sono i montanti (

2) A doppia sbarra

• − 1),

È lo schema più diffuso in trasmissione (sicurezza per le sue caratteristiche di elasticità e

semplicità;

• Prevede la possibilità di fare servizi separati per esigenze di esercizio;

• Un guasto su sbarra mi fa perdere mezza stazione;

• Se un interruttore di linea si guasta si può utilizzare come riserva quello di parallelo sbarre.

• = ( + 1)/.

Numero di interruttori per montante:

Si cerca sempre di evitare qualsiasi sovrappasso sulle sbarre, in modo da evitare guasti per cedimento di

componenti. Quindi tutti i montati si troveranno al di sotto di esse.

Le sbarre possono sostenere sollecitazioni sismiche quindi i guasti su sbarra sono poco probabili; il guasto in

stazione è associato ai componenti ad essa connesso.

Montante linea: Apparecchiatura AT di stazione 13

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