Tesi - Sistemi di distribuzione dell'energia elettrica e tecniche di messa a terra

2.3.3 SISTEMA DI MONITORAGGIO DELLE CONDIZIONI

Il monitoraggio delle condizioni è un sistema di misurazioni regolari e

programmate, riguardanti lo stato del sistema di distribuzione. Esso utilizza

diversi strumenti per quantificare la salute del sistema, in modo che ogni

cambiamento nelle condizioni operative venga misurato e analizzato.

Questo sistema ha quindi determinato una nuova pratica di manutenzione,

detta “condition-based maintenance” (CBM). La strategia di manutenzione

“time-based

più a lungo utilizzata in passato, è stata la TBM, ossia la

Questa tecnica

maintenance”. permette di evitare i guasti, andando ad

esaminare e riparare i componenti offline, con una frequenza fissata di

intervento, basata sulle ore di lavoro del sistema. Nonostante ciò, la TBM

può causare molti arresti indesiderati del sistema, e negli intervalli di 21

manutenzione si possono verificare molti incidenti inattesi. Possiamo dire

che, utilizzando questa tecnica, non basata sulle condizioni reali e attuali

dei componenti, si sprecava manodopera, tempo e denaro. Al contrario, la

CBM permette agli operatori di conoscere meglio lo stato dei componenti,

e indica chiaramente che tipo di intervento è necessario, e in quale

momento, così da ridurre il consumo di manodopera, garantendo allo stesso

tempo che il sistema non si arresti accidentalmente.

Il sistema di monitoraggio deve essere in grado di monitorare le prestazioni

e compararle con il livello atteso di progetto. Quando le condizioni di un

componente iniziano a degradarsi nel tempo, il sistema effettua alcune

analisi del loro andamento, per capire se è necessario porre in allerta gli

operatori o meno. Per esempio, nei sistemi di distribuzione, vengono

misurate temperatura, pressione, flusso e viene calcolato il rendimento

termico. Questo viene confrontato con le condizioni di progetto, e se si

riscontra un andamento negativo nel tempo, ovvero se il valore di

rendimento reale si mantiene più basso di quello di progetto, potrebbe

essere dovuto ad un mal funzionamento. L'obiettivo più difficile è riuscire a

capire quando un guasto imminente di un componente va a determinare un

arresto non programmato del sistema. In alcuni casi, una semplice analisi

degli andamenti dei giusti parametri, può essere efficace nel tentativo di

evitare questi scenari, ma spesso la degradazione è dovuta alla

combinazione di talmente tanti fattori, che non è possibile prevederla a

priori o ricavarla da un'analisi di un sottoinsieme di questi fattori, anche

perché spesso i parametri da monitorare vengono scelti casualmente.

FIGURA 2.7 Fasi del sistema di monitoraggio. Figura tratta da [1] 22

Nella figura 2.7 vediamo che il sistema di monitoraggio prevede quattro

fasi. La prima consiste nel monitorare e misurare quei parametri fisici

(solitamente tramite dei sensori), le cui variazioni possono indicare

ipotetici guasti catastrofici del sistema, molto prima che si verifichino. Le

quantità fisiche misurate vengono quindi convertite in segnali elettrici. La

seconda fase è svolta da un'unità di acquisizione dati, che va a processare i

dati, convertendoli da analogico a digitale. La terza fase consiste in

un'analisi dei dati raccolti, e in un confronto con i parametri di progetto.

Infine nella quarta fase, il calcolatore, basandosi sui segnali anormali che

ha individuato, tramite algoritmi sviluppati da esperti, fornisce all'operatore

una serie di prescrizioni, come il luogo del guasto, il tipo di guasto, lo stato

delle risorse, e consigli per la manutenzione.

2.3.4 STANDARD DI AFFIDABILITÀ NELLA PROGETTAZIONE

I diversi impianti di un sistema di potenza (generazione, trasmissione e

distribuzione) devono seguire gli standard, che assicurano la continuità del

servizio nel caso di guasto. Questo può essere legato alla rottura di uno o

più componenti, ad un problema che insorge durante la manutenzione, o a

fattori di disturbo esterno, come i fulmini.

Gli standard di affidabilità forniscono un criterio per prendere decisioni

riguardo la continuità e la disponibilità del servizio. La decisione può

includere un aumento del sistema monitoraggio e/o l'aggiunta di alcuni dei

seguenti componenti:

 Gli “Automatic circuit reclosers” (ACR) sono strumenti capaci di

percepire eventuali correnti di guasto, interrompere il guasto creando

un circuito aperto (ACR si apre), e riportare il sistema in servizio

dopo un momentaneo fuori servizio (ACR si chiude), tutto in

maniera automatica. Questo componente riduce notevolmente la

durata delle interruzioni del servizio. In aggiunta, la veloce

procedura, mediante cui il guasto viene isolato dagli ACR, riduce la

probabilità di danni secondari alle risorse, andando ad aumentare le

possibilità di una soddisfacente rimessa in servizio del sistema, dopo

23

il transitorio di guasto. Come conseguenza, i clienti saranno soggetti

in maniera minore a blackout prolungati.

 Localizzatori di guasto per fornire al sistema di controllo la

posizione approssimata dei guasti, consentendo agli operatori di

intervenire più velocemente, riducendo così i tempi di rimessa in

servizio del sistema.

 Rilevatori di correnti di fuga nei vari componenti, così da consentire

la messa in atto di misure preventive, prima che si sviluppino

incendi.

 Sensori per la termo-visione, fondamentali per identificare parti

calde sui vari componenti, consentendo così la messa in pratica di

azioni correttive, prima che generino dei guasti dovuti al

superamento del limite termico dei materiali.

Il progettista deve stabilire un compromesso accettabile tra il punto di vista

economico e tecnico, con l'obiettivo di portare l'energia elettrica al cliente,

al prezzo più basso possibile e al livello di affidabilità corretto per ciascuna

categoria di cliente. I clienti vengono infatti suddivisi in categorie, sulla

base del livello di affidabilità che richiedono le loro attività.

2.3.5 CATEGORIE DI AFFIDABILITÀ

Il sistema di distribuzione è affidabile, quando i periodi di interruzione

sono i più brevi possibili, ovvero quando si riducono al minimo le perdite

di carico. Il livello di affidabilità richiesto dai clienti è però diverso, a

seconda delle attività che essi svolgono.

 Livello 1: Per i carichi ad elevata priorità come gli ospedali, le

industrie, gli impianti di pompaggio dell'acqua, i sistemi di

illuminazione di emergenza, e alcuni importanti carichi

commerciali, è necessaria l'affidabilità più elevata possibile. Questa

può essere raggiunta alimentando il carico tramite due sorgenti

indipendenti (una in servizio e una in standby). Il tempo di

interruzione è molto ridotto, e coincide con il tempo di passaggio 24

automatico da una sorgente all'altra, passaggio che va ad isolare la

parte guasta della rete.

 Livello 2: Per carichi di moderata priorità, come quelli domestici, il

tempo di interruzione coincide con il tempo necessario a cambiare

manualmente la sorgente di alimentazione dei carichi.

 Livello 3: Per i carichi di bassa priorità, il tempo di interruzione è

più lungo rispetto ai livelli precedenti, ed è determinato dalle

attività di riparazione e/o sostituzione dell'equipaggiamento guasto

nel sistema di distribuzione.

2.4 OBIETTIVI DI PROGETTO

Gli obiettivi del progetto del sistema di distribuzione sono

fondamentalmente:

 Incontrare la crescita della domanda alla qualità desiderata

 Fornire un efficiente e affidabile servizio

 Massimizzare le prestazioni dei componenti

 Minimizzare il prezzo dell'energia elettrica per i clienti tramite

◦ Scelta della soluzione ottima in termini di costo / beneficio

◦ Riduzione dei costi della vita totale dei componenti

Perciò, il progetto del sistema è basato sui seguenti punti chiave:

 Previsione della carico

 Qualità della potenza

 Rispetto degli standard

 Investimenti con il più alto ritorno

 Perdita di potenza

 Ammontare delle perdite di carico 25

2.4.1 PREVISIONE DEL CARICO

Lo studio della previsione del carico è uno degli aspetti più importanti,

perché i carichi rappresentano l'obiettivo finale del sistema di potenza. La

progettazione dei sistemi di generazione e trasmissione dipendono dalle

previsioni del carico a lungo termine, mentre quella relativa al sistema di

distribuzione si basa sulle previsioni del carico a breve termine. La

difficoltà nelle prevedere il carico è legata alla sua dipendenza da parametri

incerti. Per esempio, la crescita del carico varia istante per istante e da una

località all'altra.

2.4.2 QUALITÀ DELLA POTENZA

Incontrare la domanda prevista è condizione necessaria per progettare un

buon sistema di distribuzione, ma non è sufficiente. La qualità della

potenza è una parte altrettanto importante. Deve essere ad un livello

desiderato, per poter fornire al cliente il corretto servizio. La qualità della

potenza è determinata dai seguenti parametri elettrici: tensione, fattore di

potenza, contenuto armonico nella rete, frequenza del segnale.

2.4.3 RISPETTO DEGLI STANDARD

Il progettista del sistema di distribuzione deve tenere in considerazione le

regole e gli standard di riferimento. Le infrastrutture del sistema, come

linee, cavi, interruttori, e trasformatori; le prestazioni del sistema;

l'affidabilità del sistema, devono essere tutte in accordo con il codice

internazionale. Vengono usati sistemi di controllo di sorveglianza e

acquisizione dati (SCADA) per l'automazione della distribuzione (DA) e

per i sistemi di gestione della distribuzione (DMS), con la finalità di

raggiungere un elevata affidabilità operazionale, di ridurre i costi di

manutenzione, e di migliorare la qualità del servizio.

Inoltre, una volta che sono disponibili i dati sicuri e affidabili dal sistema

SCADA, il passaggio seguente consiste nell'aggiungere applicativi

intelligenti in siti remoti e negli stessi centri di controllo DA/DMS. 26

Utilizzare software avanzato aumenta l'efficienza delle operazioni, supporta

lo sviluppo di una rete intelligente, e consente di ottenere un ritorno

maggiore sull'investimento.

2.4.4 INVESTIMENTI

Gli investimenti necessari per costruire le infrastrutture del sistema devono

essere valutati prima dell'implementazione del piano. Devono essere svolte

delle indagini finanziarie sulle soluzioni che soddisfano i criteri tecnici e

prestazionali richiesti, includendo i costi del ciclo di vita dei componenti.

Ciascun componente della rete può