Componenti e Tecnologie Elettriche

Componenti e tecnologie elettriche

Anno accademico 2015-2016

Prof. Massimo Pompili

Appunti di componenti e tecnologie elettriche

Autore: Francesco Trentini

Revisione a cura di: Martina D’Alessandro, Simone Granese, Federico Marcolini, Antonio Russi

Sommario

• Introduzione .......................................................................................................... 2
• Parte 1 – I materiali conduttori .............................................................................. 5
• Parte 2 – I conduttori e le linee aeree ..................................................................... 9
• Parte 3 – La rigidità dielettrica e la scarica ........................................................... 20
• Parte 4 – L’SF6 ...................................................................................................... 28
• Parte 5 – L’isolamento liquido .............................................................................. 30
• Parte 6 – I polimeri ............................................................................................... 32
• Parte 7 – Gli isolamenti solidi e i processi di scarica .............................................. 37
• Parte 8 – I cavi ..................................................................................................... 52
• Parte 8b – La portata termica per le linee in cavo ................................................ 58
• Parte 10 – Gli isolatori .......................................................................................... 67
• Approfondimenti .................................................................................................. 71
• A – Le linee elettriche ....................................................................................................................... 71
• B – I cavi sottomarini ........................................................................................................................ 73

Introduzione

Una linea elettrica ha diversi valori di tensione. La produzione avviene a 15kV per motivi di sicurezza (archivoltaici) con delle correnti enormi. L’aumento di correnti sulla linea porta a:

• Effetto Joule
• Portata dei cavi (dimensionamento)
• Peso maggiore
• Campi magnetici
• Altre conseguenze

La tensione viene quindi convertita a 380kV. Si instaurano poi molti nodi per ovviare a eventuali guasti. Dai nodi si espandono le arterie che arrivano all’utilizzatore. Ci sono stazioni 380 kV-150 kV, cabine primarie 150kV-20 kV e cabine secondarie che permettono di arrivare a 380V per alimentare poi l’utenza.

Livelli di tensione

Un impianto elettrico è ritenuto a:

• Bassa tensione quando la tensione del sistema è uguale o minore a 400 (500) V efficaci per corrente alternata e a 600 V per corrente continua.
• Quando tali limiti sono superati, l’impianto elettrico è ritenuto ad alta tensione.

In relazione alla loro tensione nominale i sistemi elettrici si dividono in:

• Sistemi di Categoria 0 (zero), chiamati anche a bassissima tensione, quelli a tensione nominale minore o uguale a 50 V se a corrente alternata o a 120 V se in corrente continua (non ondulata);
• Sistemi di Categoria I (prima), chiamati anche a bassa tensione, quelli a tensione nominale da oltre 50 fino a 1000 V se in corrente alternata o da oltre 120 V fino a 1500 V compreso se in corrente continua;
• Sistemi di Categoria II (seconda), chiamati anche a media tensione quelli a tensione nominale oltre 1000 V se in corrente alternata od oltre 1500 V se in corrente continua, fino a 30 000 V - compreso;
• Sistemi di Categoria III (terza), chiamati anche ad alta tensione, quelli a tensione nominale maggiore di 30 000 V

Definizioni comuni degli impianti

Secondo la normativa internazionale si definisce:

• Tensione nominale di un sistema, il valore della tensione con il quale il sistema elettrico è denominato e al quale sono riferite le sue caratteristiche;
• Tensione massima o minima di un sistema, i valori più elevato e più basso della tensione che può verificarsi in un sistema elettrico in condizioni normali di esercizio; non vengono considerati le variazioni dovute ai guasti o al distacco improvviso di un carico. Generalmente queste variazioni devono essere compresi entro il ±10% della tensione nominale;
• Tensione nominale di un elemento di un sistema, il valore della tensione con il quale l'elemento è denominato e al quale sono riferite le sue caratteristiche di funzionamento. Tali valori devono possibilmente essere uguali alle tensioni nominali dei sistemi a cui appartengono, ma possono anche differire da questi;
• Tensione massima di riferimento per l'isolamento di un elemento di un sistema, il valore più elevato della tensione al quale l'elemento può funzionare con continuità per quanto concerne il suo isolamento.

Le sovratensioni

Le sovratensioni sono di tre tipologie:

1. Sovratensioni atmosferiche sono onde unidirezionali di breve durata (10^-4 s), che sollecitano gli elementi del sistema elettrico per effetto di una fulminazione diretta o indiretta. Per l'impulso convenzionale atmosferico si ha
2. Sovratensioni di manovra sono onde oscillanti fortemente smorzate, di lunga durata (10^-2 s) che si originano all'interno del sistema elettrico per effetto di manovre di chiusura e richiusura delle linee. Per l'impulso convenzionale di manovra si ha
3. Sovratensioni temporanee sono onde oscillanti debolmente smorzate alla frequenza di rete o a frequenza multipla, di durata dell'ordine di 10^-1s, che si originano all'interno del sistema elettrico per particolari condizioni di funzionamento del sistema elettrico (guasto monofase a terra, perdita di carico dei generatori sincroni, sopraelevazione di velocità dei generatori sincroni, ferro risonanza, risonanza su armoniche).

BIL

Il BIL è il basic insulation level, cioè il livello di isolamento di un sistema.

Parte 1 – I materiali conduttori

I materiali si dividono in conduttori e isolanti e semiconduttori.

Proprietà dei materiali conduttori, isolanti e semiconduttori

• Nei conduttori solidi, come rame, alluminio, acciaio, la costante elettrica è dovuta al moto degli elettroni che compongono il cosiddetto gas elettronico che è formato da quegli elettroni periferici degli atomi così debolmente legati ai nuclei da poter essere considerati permanentemente liberi. La resistività elettrica di questi materiali è dell'ordine di 10^-8 Ωm.
• Negli isolanti solidi, come carta, vernici, vetro, porcellana, mica, gomme naturali, plivinilcloruro (PVC), gomma etilenpropilenica (EPR), polietilene reticolato (XLPE), gli elettroni periferici degli atomi sono così fortemente legati ai nuclei che si ha una quasi totale assenza di elettroni liberi. La resistività di questi materiali è dell'ordine di 10¹⁵ Ωm.
• Nei semiconduttori, come il germanio o il silicio, si ha una situazione intermedia nel senso che gli elettroni periferici non sono eccessivamente legati ai nuclei per cui a causa dell'agitazione termica si distaccano, ma dopo un tempo relativamente breve vengono di nuovo catturati; si può però dire che statisticamente in un semiconduttore vi è un numero di elettroni liberi notevolmente inferiore a quello dei conduttori, ma alquanto superiore agli isolanti. La resistività dei semiconduttori è dell'ordine di 10^-3 ÷ 10² Ωm, quindi intermedia tra isolanti e conduttori.

Le leggi fondamentali dei materiali

La scala IACS

International annealed copper standard, scala comparativa della conducibilità elettrica adottata internazionalmente. Essa assegna il 100% al Rame ricotto.

I materiali conduttori

I materiali conduttori come Argento, Alluminio, Rame differiscono dai valori di: conducibilità, resistività, densità e costo. Quelli più importanti sono:

• Rame: con una resistività pari a 0,017 Ωm, una densità di 8,9 g/cm³ e una conducibilità di 58 MS/m.
• Alluminio: con una resistività pari a 0,028 Ωm, una densità di 2,7 g/cm³ e una conducibilità di 36,2 MS/m.
• Oro: la cui conducibilità varia poco con la temperatura ma ha un alto costo.
• Argento: migliore tra i conduttori, ha particolari applicazioni. Ha una resistività pari a 0,016 Ωm, una densità di 10,5 g/cm³ e una conducibilità di 62,5 MS/m.

Formazione di fili per incrudimento e ricottura

Il Rame e l’Alluminio sono divisi in Ricotto e Crudo. Questo è dovuto al tipo di lavorazione con cui vengono fatti i filamenti di materiale.

• Ricottura: le barre sono portate a temperature molto elevate. Il processo comporta un aumento della conducibilità elettrica (per il Rame da 97 a 100 IACS) a spese della diminuzione della resistenza meccanica.
• Incrudimento: processo meccanico a freddo dove le barre sono forzate a passare in filiere di sezione sempre minore. Si ottengono in questo modo miglioramenti da un punto di vista meccanico perdendo tuttavia sulla conducibilità.

Vantaggi e Svantaggi di Rame e Alluminio

Quando il Rame entra a contatto con lo Zolfo si ossida e si sgretola. Quando l’Alluminio si ossida si crea una patina protettiva intorno al conduttore.

Il peso è un fattore di fondamentale importanza, all'aumentare del peso infatti aumenta la freccia, aumenta l'altezza dei tralicci perciò cresce il momento ribaltante e tutta l'opera viene a costare di più.

Le leghe di Alluminio

Sono formate da una matrice metallica con dentro piccole quantità di altri materiali. Ogni cifra della serie ha un significato:

• La prima indica la famiglia di leghe;
• La seconda le eventuali varianti rispetto alla lega originaria, alla quale è riservata la cifra 0;
• Le due ultime cifre indicano nella serie 1xxx il grado di purezza dell'Alluminio e nelle altre serie definiscono specificatamente la combinazione di alliganti.

La serie 6XXX ha proprietà migliori nel piano meccanico ma ha una scarsa conducibilità elettrica. Una lega importante è la Aldrey. Essa è Al con Si e Mg. Lo svantaggio è la minore conducibilità elettrica. I vantaggi sono il maggiore carico di rottura e resistenza superiore alla corrosione. Il suo peso specifico è circa 2,7 kg/dm³.

Il confronto Rame-Alluminio

Dove δ è la densità e ρ è la resistività.

La resistività

La resistività di un materiale dipende da molti fattori:

1. Temperatura
2. Grado di purezza
3. Trattamento termico adottato nella produzione
4. Perdite addizionali

La dipendenza dalla temperatura è determinata dalla seguente equazione: dove α è il coefficiente di dilatazione termica del materiale, che nel caso del Rame a 20°C vale: α=0.0039. A 0 K la conducibilità è la più alta che si possa avere.

Più un materiale è puro, migliore sarà la sua conducibilità. In base al trattamento, come si può osservare dalle tabelle dei materiali, un materiale può avere una resistività migliore nel caso di ricotto o nel caso di crudo.

Perdite addizionali sono le perdite dovute all’effetto pelle, la resistenza del materiale varia con legge: L’effetto pelle è più importante se:

• Si è in alte frequenza
• Il diametro del conduttore è grande
• C’è permeabilità magnetica

Parte 2 – I conduttori e le linee aeree

I conduttori

I conduttori di un cavo vengono cordati perché nelle corde bimetalliche i materiali hanno diversi coefficienti di dilatazione. Vengono cordati anche per la possibilità di poterli bobinare, questo perché un conduttore massiccio si spezza. Il conduttore più usato è Alluminio-Acciaio.

Quando viene costruito un conduttore si fanno alcune analisi:

• Prestazioni elettriche: deve smaltire il calore in modo corretto, altrimenti le perdite ottenute causano un aumento di temperatura e una perdita di resistenza, così da determinare un aumento della caduta di tensione;
• Prestazioni termiche: viene fissata la temperatura massima che si ha sul conduttore per caratterizzarlo in modo corretto. Viene così definita la distanza da terra, difatti se la temperatura aumenta troppo il materiale ricuoce. Ci sono norme di legge che determinano le distanze;
• Prestazioni meccaniche: vengono definiti gli sforzi che può sopportare.

I dati fondamentali dei conduttori

Un conduttore viene definito attraverso i seguenti dati:

• Corde monometalliche, bimetalliche o conduttori massicci
• Diametro fili unitari
• Rapporto materiali
• Pretensioni, tiraggio dei fili durante la produzione.
• Passo di cordatura, distanza lineare per la quale un conduttore cordato compie un giro completo attorno al suo asse, se infinita la corda non è presente.
• Tiro di posa, quanto posso tirare il conduttore quando viene installato, il limite è il carico di rottura. Il tiro varia con la temperatura perché il conduttore si scalda e si dilata, si fredda e si tira. Con le sollecitazioni, come ghiaccio o neve, può scendere a causa del peso. Si deve stare attenti allo snervamento, in questo caso il materiale si deforma in modo plastico. Il vento fa vibrare il conduttore se molto tirato, questo porta ad un invecchiamento.

Formazione conduttori Al-Ac

Nella formazione dei cavi, l’Acciaio è messo sulla parte centrale perché l’effetto pelle fa scorrere la corrente sulla superficie. Il conduttore ACSR, nelle tipiche formazioni di 22,8 mm e 31,5 mm di diametro, ha rappresentato per anni la soluzione tipica adottata dall’ENEL per le linee in alta tensione. Il rapporto Alluminio-Acciaio è 5 a 1.

Il campo elettrico dei conduttori

Il campo elettrico ha un andamento. Il campo uniforme è un’astrazione. Neanche il campo geometrico è un campo reale, non ci dà informazioni. In realtà il campo ha delle linee come sotto rappresentate: verso terra sono meno fitte che sulla sorgente. Il campo medio è. I campi devono essere limitati per la vita umana, se esso supera un certo valore nasce l’effetto corona. Nel conduttore stesso, il campo è nullo.

I limiti di esposizione a campi magnetici ed elettrici

• In caso di esposizione in prossimità di aree per l'infanzia, di ambienti abitativi, di ambienti scolastici e di luoghi adibiti a permanenze non inferiori a quattro ore giornaliere, il valore limite per l'induzione magnetica è fissato a 10 μT (da intendersi come mediana dei valori nell'arco delle 24 ore);
• Nella progettazione di nuovi elettrodotti in corrispondenza alle aree sopra citate è fissato l'obiettivo di qualità di 3 μT per l'induzione magnetica da intendersi come mediana dei valori nell'arco delle 24 ore).

Il campo effettivo su un conduttore e l’effetto corona

Il campo effettivo su un conduttore si può ricavare dalla seguente formula: L’effetto corona avviene quando un campo supera certi valori e si ha la ionizzazione locale degli atomi, gli elettroni si eccitano. La rigidità dielettrica dell’aria è 30kV/cm, se il campo è maggiore, l’aria si ionizza. Il campo è massimo sul conduttore perché va come. Il conduttore viene limitato a questi valori e viene impostato un margine di sicurezza.

Altri fenomeni dovuti all’effetto corona sono:

• Rumore, dovuto alla vibrazione degli elettroni che ionizzano gli atomi;
• Perdite di energia, perdite joule e effetto pelle dipendono dalla quantità di corrente sul conduttore;
• Interferenze elettromagnetiche, dovute agli alti campi elettrici sui conduttori.

L’effetto corona si può ridurre: aumentando il diametro del conduttore, diminuendo la tensione di esercizio, aumentando i conduttori della linea. Il valore massimo del campo è 15kV/cm. Il campo è però funzione della tensione, se aumenta la tensione devo cambiare il conduttore altrimenti aumenta il campo. Cambiando il conduttore aumentano i costi e cambiano le caratteristiche tecnologiche. Le perdite per effetto corona sono dovute alla polarizzazione delle molecole che assorbono l’energia del campo. Le perdite di energia aumentano con l’aumentare della corrente sul conduttore.

Nascono così i conduttori a fascio: 2 o più conduttori per la stessa fase che permettono di diminuire il campo elettrico. L’innesco del fenomeno corona si ha con un campo critico del tipo:

La portata termica per le linee aeree

Il calore prodotto quando la corrente passa su un conduttore causa le perdite per effetto Joule: P = I²R. Nasce così un bilancio termico tra calore prodotto e calore smaltito: P = Q + Q_conv da essa ricavo la corrente massima che può passare su un conduttore. Difatti lo smaltimento del calore è aiutato dai moti convettivi e dall’irraggiamento (che si ha solo in...