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CRITERI DI GESTIONE E RIFASAMENTO DI RETI INDUSTRIALI

Prof. Roberto Turri

Gruppo:

Pinato Diego Pullano Fabio

ANNO ACCADEMICO 2010/2011

Sommario Capitolo 1: Aspetti generali per la progettazione di una rete industriale ......................................... 1 1.1 Sicurezza .................................................................................................................................. ..................................................................................................................................2 2 1.2 Affidabilità .......................................... ......................................................................................... ..................................................................................... ...................................... 3 1.3 Semplicità delle operazioni ..................................................................................................... .....................................................................................................3 3 1.4 Qualità della tensione.............................................................................................................. tensione..............................................................................................................4 4 1.5 Manutenzione ......................................................................................................................... .........................................................................................................................4 4 1.6 Flessibilità ................................................................................................................................ ................................................................................................................................5 5 1.7 Costi ......................................................................................................................................... .........................................................................................................................................5 5 1.8 Isolamento.......................................... Isolamento ......................................................................................... ..................................................................................... ...................................... 6 1.9 Scelta delle apparecchiature ................................................................................................... ...................................................................................................7 7 1.10 Calcolo delle correnti di cortocircuito ................................................................................... ...................................................................................7 7 1.11 Messa a terra......................................................................................................................... terra .........................................................................................................................8 8 .............................................................................................................8 8 Sistemi isolati  Sistemi  isolati da da terra ............................................................................................................. .............................................................................8 8 Sistemi collegati  Sistemi collegati a a terra tramite resistenza ............................................................................. ..............................................................................8 8 Sistemi collegati  Sistemi collegati a a terra tramite reattanza .............................................................................. ....................................................................................................8 8 Sistemi  francamente  francamente a terra .................................................................................................... 1.12 Vincoli .................................................................................................................................... ....................................................................................................................................9 9

Capitolo 2: Gestione del sistema...................................................................................................... sistema ......................................................................................................11 11 2.1 Analisi del carico.................................................................................................................... carico ....................................................................................................................11 11 2.2 Alimentazione........................................................................................................................ Alimentazione........................................................................................................................14 14 ....................................................................................................17 17 Sistema ad anello ad  anello primario  primario .................................................................................................... .......................................................................................................18 18  Ad alimentazione  Ad  alimentazione radiale ....................................................................................................... ....................................................................19 19 Sistema radiale doppio ( o (  o “selettivo primario”) “selettivo  primario”) .................................................................... .........................................................................................................20 20  A doppia alimentazione ......................................................................................................... ......................................................................................................................20 20  A doppia sbarra ...................................................................................................................... ..................................................................................................21 21 Con gruppi elettrogeni  gruppi  elettrogeni (UPS) (UPS).................................................................................................. ..........................................................................22 22 Con sorgenti di  sorgenti  di riserva riserva e distacco del carico del  carico .......................................................................... 2.3 Sistema di protezione............................................................................................................ protezione ............................................................................................................22 22 2.4 Variazione e regolazione della tensione................................................................................ tensione ................................................................................25 25

.............................................................................................................27 27 Variatori di  Variatori  di rapporto rapporto ............................................................................................................. ................................................................................................28 28 Sbilanciamento delle tensioni  ................................................................................................ 2.5 Stabilità dinamica della rete.................................................................................................. rete ..................................................................................................30 30 2.6 Ottimizzazione dell’impianto ................................................................................................ ................................................................................................31 31

Capitolo 3: Rifasamento................................................................................................................... Rifasamento ...................................................................................................................33 33 3.1 Mezzi per la produzione di potenza reattiva induttiva ......................................................... 35 ................................................................................................................35 35  Alternatori sincroni   Alternatori  sincroni  ................................................................................................................ ...........................................................................................................36 36 Compensatori sincroni  Compensatori sincroni  ........................................................................................................... ..............................................................................................................36 36 Compensatori statici  Compensatori statici .............................................................................................................. ..............................................................................................37 37 Batterie di condensatori  di  condensatori statici  statici .............................................................................................. 3.2 Rifasamento negli impianti utilizzatori.................................................................................. utilizzatori.................................................................................. 38 3.3 Tipi di rifasamento................................................................................................................. rifasamento.................................................................................................................39 39 Rifasamento centralizzato a  potenza fissa  potenza  fissa ............................................................................ 39 Rifasamento centralizzato a  potenza modulata .................................................................... 40

..........................................................................................................41 41 Rifasamento distribuito.......................................................................................................... Rifasamento per  Rifasamento per gruppi  gruppi  ......................................................................................................... .........................................................................................................41 41

.................................................................................................................42 42 Rifasamento misto ................................................................................................................. 3.4 Inserzione e disinserzione dei condensatori di rifasamento................................................. rifasamento ................................................. 43 ............................................................................................................43 43 Corrente di inserzione di  inserzione ............................................................................................................ .........................................................................................................45 45  Aumento della tensione ......................................................................................................... ........................................................................................................45 45 Scarica dei condensatori  dei  condensatori ........................................................................................................ .....................................................................................................46 46 Problema delle armoniche ..................................................................................................... 3.5 Rifasamento di motori e trasformatori trifase...................................................................... trifase ...................................................................... 47 Esempio di rifasamento di  rifasamento di un di  un motore asincrono trifase ........................................................ 48

.....................................................................................51 51 Rifasamento di trasformatori  di  trasformatori trifase trifase .....................................................................................

Capitolo 1 Aspetti generali per la progettazione di una rete industriale

Tutto ciò che riguarda la progettazione, ma anche l'installazione, la manutenzione e la conduzione dei sistemi elettrici, da quelli di bassa potenza a quelli di potenza elevata, è oggetto di molte leggi, regolamenti e norme. Queste disposizioni hanno lo scopo di assicurare il corretto funzionamento delle apparecchiature costituenti l'impianto e dell'impianto stesso, la compatibilità ambientale delle installazioni elettriche, e, soprattutto, la sicurezza delle persone. Numerosi fattori, come ad esempio il progresso tecnologico, il rinnovarsi della sensibilità della so‐ cietà dal punto di vista ambientale e da quello riguardante la salvaguardia della salute richiedono un continuo aggiornamento di queste disposizioni. Quindi, se da un lato rimangono invariati i principi su cui si basa il funzionamento di un sistema elettrico, dall'altro, con il tempo cambiano i vincoli legislativi ai quali i progettisti, gli installatori e i gestori degli impianti elettrici devono attenersi. Poiché la maggior parte degli impianti sono progettati per funzionare in servizio continuo, ogni possibile evento che potrebbe portare ad un'interruzione del servizio deve essere preso in consi‐ derazione in fase di analisi in modo da stabilire le relative contromisure. Il metodo consiste in due fasi: 

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raggiungimento di un determinato equilibrio tecnico tra esigenze e vincoli; ottimizzazione tecnica ed economica attraverso appositi metodi e programmi di calcolo.

I fattori da tenere in considerazione nella realizzazione di un impianto si possono riassumere nei seguenti punti:  

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Sicurezza Affidabilità Semplicità delle operazioni Qualità della tensione Manutenzione Flessibilità Costi

Alcuni degli obbiettivi non possono essere raggiunti tutti a pieno, quindi si è spesso costretti a trovare un giusto compromesso; da ciò deriva che la grande maggioranza delle valutazioni è di na‐ tura soggettiva.

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Capitolo 1

Per soddisfare i requisiti e per far fronte alle esigenze del sistema elettrico bisogna seguire deter‐ minati approcci ed adottare certi accorgimenti, che consistono ad esempio in: 

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Analisi del carico (potenza attiva e reattiva, diagrammi di carico) Scelta della tensione (tenendo conto dei flussi di potenza e della distanza dalle cabine di distribuzione) Rifasamento (si può effettuare un rifasamento globale in cabina o un rifasamento distri‐ buito, nei pressi del carico; in quest'ultimo caso bisogna prestare attenzione al rischio di sovratensioni che potrebbero ad esempio causare l'autoeccitazione di macchine asincro‐ ne) Sistemi di riserva (per garantire flessibilità e continuità di servizio) Gruppi di produzione autonomi (dedicati in particolare ai carichi "sensibili"; se la rete ha una certa qualità di tensione e frequenza é preferibile collegare i gruppi in parallelo con essa, in quanto la rete contribuisce a rendere più stabile il funzionamento degli eventuali alternatori presenti nell'impianto. In caso di gravi problemi alla rete è necessario separare velocemente l'impianto dalla rete stessa, scollegando eventualmente i carichi non essen‐ ziali) Separazione dei carichi fluttuanti (con conseguente separazione dei dispositivi di prote‐ zione, e adeguamento del sistema di messa a terra ai vari carichi) Schema elettrico globale

1.1 Sicurezza

Quando si parla di sicurezza si intende quella delle persone, ma anche quella dell'impianto stesso. Per quanto riguarda la sicurezza delle persone, oltre a ricorrere alle protezioni contro i contatti diretti e indiretti è necessario evitare scollegamenti sotto carico e la messa a terra di conduttori sotto tensione, inoltre bisogna far sì che i guasti siano eliminati il più velocemente possibile. Affinché anche l'impianto in questione risulti protetto, è necessaria una scelta dei materiali ade‐ guati affinché gli impianti e le apparecchiature possano resistere vari tipi di sollecitazioni (sovrac‐ carichi e sovratensioni) in modo da evitare incendi e altri effetti distruttivi. Per permettere inter‐ venti tempestivi delle protezioni è importante l'identificazione del tipo di guasto. Affinché sia raggiunto il livello di sicurezza richiesto è buona norma: 

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verificare il corretto funzionamento dei dispositivi di manovra rinchiudere i conduttori o posizionarli ad una certa altezza accordare i sezionatori a vuoto con gli interruttori del circuito effettuare operazioni di manutenzione solo sugli apparecchi non alimentati minimizzare gli accessi ai locali in cui sono presenti apparecchiature elettriche proteggere ogni apparato elettrico da danni di tipo meccanico utilizzare adeguati strumenti di segnaletica adottare un efficiente sistema di messa a terra dotarsi di sufficienti pezzi di ricambio addestrare periodicamente il personale alle operazioni di manovra e manutenzione

Aspetti generali per la progettazione di una rete industriale

A differenza di altri fattori, come la riduzione dei costi e il raggiungimento di un certo livello di af ‐ fidabilità, dal punto di vista della sicurezza non si dovrebbe scendere a nessun compromesso.

1.2 Affidabilità

Gli aspetti più importanti a cui fare attenzione per ottenere il giusto grado di affidabilità del si‐ stema riguardano: 

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Scelta del  valore appropriato di  tensione: ad esempio i sistemi di distribuzione (5 kV ‐ 15

kV) sono caratterizzati da un affidabilità inferiore rispetto a quelli di trasmissione, in quan‐ to sono esposti a più pericoli; i sistemi a tensione più elevata sono progettati con più cura e attenzione, oltre ad avere più protezioni al loro interno. Ridondanza: la presenza di più percorsi tra sorgente e carico contribuisce ad aumentare l'affidabilità dell'impianto; inoltre permette di poter eseguire manutenzioni senza dover interrompere l'alimentazione del carico.  Adeguata protezione dell'impianto e delle apparecchiature: il corretto coordinamento dei dispositivi di protezione consente di rimuovere carichi minimi in caso di guasto, senza in‐ fluire sugli altri carichi presenti nell'impianto. Controllo e monitoraggio: la presenza di un efficiente sistema di allarme permette di avvi‐ sare il personale degli eventuali problemi non appena si verificano, riducendo così i tempi di inattività. Scelta di  apparecchiature a loro volta affidabili : certi strumenti operano in servizio conti‐ nuo per lunghi periodi di tempo; è compito del progettista scegliere apparecchiature in grado di adempiere alla loro funzione per l'intera durata della loro vita.

1.3 Semplicità delle operazioni

Un sistema semplice e facile da gestire è sufficiente per fornire il servizio richiesto dai vari carichi; la semplicità del servizio è legata a fattori come la razionalità dello schema, l’assenza di complica‐ zioni costruttive e funzionali non strettamente necessarie, la chiarezza e la logicità delle sequenze di manovra, siano esse in condizioni normali o di emergenza, e la loro uniformità per tutte le parti dell’impianto. Anche la prefabbricazione di determinati componenti permette di limitare le operazioni da com‐ piere sul luogo di installazione, riducendo la costruzione dell’impianto ad un semplice assemblag‐ gio di parti già pronte. Il ricorso alla modularità inoltre consente di avere vantaggi in caso di sostituzioni di parti a causa di guasti o di aggiunte future. Bisogna inoltre considerare che un sistema semplice è anche più sicuro e affidabile.

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Capitolo 1

1.4 Qualità della tensione

Ultimamente, con l'uso crescente di dispositivi elettronici, questo aspetto è diventato di maggiore importanza. Esso è caratterizzato da numerosi fattori, come: 

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Regolazione della tensione: ciò include disturbi transitori e dinamici (abbassamenti e in‐

nalzamenti della tensione) causati da guasti i certi punti della linea. Frequenza: se i generatori sono staccati dalla rete si può avere instabilità, in particolare se vi sono dei carichi che variano a gradino causando momentanei cali di frequenza; questi abbassamenti di frequenza posso causare problemi in tutte quelle attività che richiedono un sincronismo con la forma d'onda della tensione. Distorsione della tensione: i carchi non lineari assorbono correnti armoniche che causano distorsioni nella forma d'onda della tensione. Per determinati sistemi esistono delle nor‐ me che fissano dei limiti sul grado di distorsione della tensione. Interferenze: i circuiti di controllo di dispositivi come ad esempio i relè, necessitano di schermature atte ad evitare falsi comandi dovuti all'accoppiamento elettromagnetico ed elettrostatico con i circuiti di potenza; per prevenire questi problemi si può ricorrere all'u‐ so di fibre ottiche per i controlli a lunga distanza. Picchi  di  tensione: essi sono dovuti e transitori di manovra o a fulminazioni sulla linea e devono essere ridotti al minimo con l'uso di dispositivi di protezione dalle sovratensioni, scaricatori e varistori.

La qualità della tensione diventa un aspetto molto importante anche i presenza di carichi speciali, come motori, dispositivi controllati in frequenza o apparecchiature mediche, che spesso richiedo‐ no un'analisi specifica.

1.5 Manutenzione

Delle periodiche e appropriate operazioni di manutenzione sono fondamentali ai fini di assicurare la continuità e la qualità della fornitura di energia nel sistema. Tutte le disposizioni necessarie per un'efficiente manutenzione dovrebbero essere incluse nel progetto stesso dell'impianto; esse riguardano: 

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pulizia controllo del livello e della presenza di umidità ventilazione adeguata prevenzione e riduzione della corrosione controllo delle temperature test regolari e periodici aggiornamento dei registri conformità con le norme e con le raccomandazioni date dai produttori delle apparecchia‐ ture

Aspetti generali per la progettazione di una rete industriale

1.6 Flessibilità

Il sistema elettrico deve essere progettato in modo da rendere possibile l'aggiunta e la modifica di qualsiasi carico presente in esso. Ciò comporta la presenza di spazi di riserva nei locali, nelle cabi‐ ne e nei vari pannelli per poter far fronte ad aggiunte future di apparecchiature di manovra ; inol‐ tre è opportuno che i componenti del sistema siano sovradimensionati per far fronte alle eventua‐ li modifiche future e deve essere disponibile un'ulteriore capacità dei trasformatori in caso di nuovi carichi. Ovviamente il consumo di energia aumenta con i potenziamenti dei macchinari e dei processi, di conseguenza, per contenere i nuovi consumi, nell’aggiornamento della rete bisogna tener conto di vari fattori, quali la rigidità dielettrica dei dispositivi, la capacità di fornire energia a carichi grandi e l’eventuale impossibilità di modifica delle aree e degli edifici. Il sistema deve avere inoltre l’attitudine ad essere esercito in modo diverso dalle condizioni di normale funzionamento, ad esempio per esigenze di manutenzione, riparazione o verifiche.

1.7 Costi

In ogni decisione presa dal progettista l'ammontare dei costi nel sistema dovrebbe essere bilan‐ ciato al grado di affidabilità che si vuole ottenere. Il grado di affidabilità è a sua volta dettato dalle esigenze dei carichi; il progettista deve quindi sa‐ per valutare quali apparecchiature sono necessarie e come deve essere organizzato l'impianto per raggiungere diversi livelli di affidabilità, trovando poi il giusto compromesso che permette di limi‐ tare i costi, i quali consistono in: costi di investimento, di manutenzione e costi dovuti alle perdite. Per questa analisi si può ricorrere a due tipi di criteri, il metodo deterministico (più semplice da capire e da applicare) e il metodo probabilistico. Metodo deterministico

Questo metodo si basa sul concetto di ridondanza, in quanto riguarda la verifica della capacità del sistema di far fronte ad eventuali interruzioni, la quale è anche detta "analisi contingente". Le fasi che caratterizzano questo tipo di approccio sono le seguenti: 

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definizione di un criterio di affidabilità sviluppo di alternative compatibili con i requisiti tecnici analisi contingente scelta dell'alternativa migliore

Le soluzioni che comportano i costi maggiori vengono subito scartate. Gli svantaggi del metodo deterministico sono: 

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eccessiva soggettività non fornisce indicazioni di tipo quantitativo non permette di sapere il vero costo derivante dal miglioramento dell'affidabilità

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Capitolo 1

Metodo probabilistico

Si fonda su tre aspetti: 

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disponibilità (P): è definita come la percentuale di tempo, in genere nell'arco di un anno in cui l'impianto è alimentato; se viene espressa un per unità, essa rappresenta la probabilità di avere disponibilità di alimentazione, ma da sola non dà indicazioni sufficienti; frequenza (f): esprime il numero di interruzioni che si hanno durante l'anno; durata (d): è il valore medio della durata di una singola interruzione.

Questi tre parametri sono legati tra loro dalla seguente formula:

P=

 f  ⋅ d  8760

Questo tipo di approccio è di tipo quantitativo e consiste in più fasi: 

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descrizione del sistema determinazione e analisi del grado di affidabilità calcolo degli indici analisi della sensibilità miglioramento dei costi

1.8 Isolamento

La scelta dell’isolamento ha un ruolo importante nella protezione delle persone e delle apparec‐ chiature contro sovratensioni di origine interna o esterna. Esistono 3 tipi di sovratensioni che possono causare scariche con conseguente cedimento dell’isolamento ed eventuale danneggia‐ mento delle apparecchiature: 

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sovratensioni (50