Sistemi di elettrificazione ferroviaria

Sono elencati brevemente i vantaggi del sistema in corrente continua a 3000 V (valgono anche per tensioni inferiori):

- derivazione dell’energia primaria dalle normali reti di tensione a frequenza industriale, per mezzo di sottostazioni che lavorano con fattori di potenza pienamente accettabili e non introducono squilibri di carico tra le fasi nelle stesse linee primarie;

- linea di contatto particolarmente semplice e monofilare;

- inferiori cadute di potenziale in linea a parità di potenza e tensione rispetto a quelle dei sistemi in corrente alternata, dato che si può considerare solo la resistenza ohmica, e non l’intera impedenza, delle linee di contatto e del circuito di ritorno;

- possibilità di far funzionare facilmente in parallelo le sottostazioni adiacenti, ricavandone i corrispondenti vantaggi in termini di cadute di potenziale;

- assenza di tensioni pericolose indotte nelle linee telefoniche o di trasmissione dati, vicine e parallele.

Tra gli inconvenienti di questo tipo di sistema, del quale si riporta un esempio di schema di alimentazione nella figura 105, presenti anche in quelli a tensioni inferiori, bisogna far rientrare la possibilità di fenomeni di corrosione elettrolitica dovuti a correnti vaganti negli impianti della ferrovia stessa ed in quelli prossimi ad essa, ovvero di correnti che abbandonano le rotaie e si disperdono nel terreno.

Inoltre, per quanto riguarda le locomotive di vecchia generazione, si possono riscontrare i seguenti difetti: presenza di perdite negli avviamenti, di tipo reostatico; una regolazione non continua della velocità, avendo necessità di effettuare variazioni continue dei collegamenti dei motori, attraverso il passaggio serie – parallelo (figura 106), e i cosiddetti shuntaggi, ovvero regolazioni a gradini dei campi di eccitazione dei motori.

169 Figura 105: esempio di schema di alimentazione di una linea ferroviaria in c.c. [12]

Figura 106: esempio di transizione serie – parallelo (denominata in corto – circuito ed utilizzata per locomotive con almeno 6 motori) [12]

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L’introduzione della regolazione elettronica della tensione dei motori in c.c. per mezzo di chopper ha permesso di eliminare completamente alcuni degli svantaggi elencati pocanzi. Oggigiorno si utilizzano regolazioni elettroniche a chopper più inverter trifase, come mostrato nella figura 107, che consentono l’impiego di motori asincroni trifasi, regolati in velocità ed in avviamento attraverso la variazione continua della frequenza e della tensione di uscita dell’inverter.

Figura 107: esempio di regolazione elettronica di un motore attraverso l’utilizzo di un chopper e di un inverter trifase [12]

Tale sistema consente di utilizzare motori più semplici, robusti e poco pesanti, data l’assenza di un collettore a lamelle, nonché più veloci. Si possono utilizzare inoltre anche motori sincroni autopilotati. L’adozione di componenti elettronici non ha tuttavia eliminato la presenza di disturbi dovuti alla presenza di armoniche nelle correnti derivate dalle linee di contatto. Inoltre, vi sono anche difficoltà nel rilevare la mancanza di squilibri che la frenatura a recupero (ottenuta facilmente dai moderni motori di trazione appena descritti) provoca nell’intero sistema di trazione, nonché nella rete di alimentazione esterna. Bisogna però riconoscere caratteristiche favorevoli al riutilizzo dell’energia recuperata in base al tipo di traffico e di servizio ferroviario: risultano perciò privilegiate le installazioni metropolitane per via di brevi tragitti, con salite brevi o assenti e numerosi convogli distribuiti lungo la linea.

Bisogna ora elencare i vari tipi di disturbi indotti da un sistema di alimentazione ferroviario nei confronti di quelli vicini, quindi sostanzialmente alla rete primaria ad alta tensione dalla quale le sottostazioni ferroviarie derivano l’energia necessaria alla trazione. Principalmente essi sono:

- per la trazione in corrente continua la deformazione della forma d’onda della tensione primaria conseguente all’impiego di raddrizzatori di qualsiasi tipo essi siano;

- per la trazione in corrente alternata monofase lo squilibrio di carico dovuto alla derivazione di carichi monofasi del sistema trifase primario, nonché le variazioni di tensione dovute all’esigenza di esercire radialmente le linee di trazione.

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Questi fenomeni devono essere limitati: in particolari situazioni di eccedenza bisogna applicare nel primo caso degli opportuni sistemi di filtraggio o degli accorgimenti progettuali per l’interconnessione con la rete di alimentazione pubblica. Questo vale analogamente per il secondo tipo di disturbo, che dà luogo a disimmetria delle tensioni concatenate primarie, causando un conseguente disturbo ai motori di altri utenti alimentati dallo stesso sistema oltre a diretti inconvenienti agli alternatori ed ai trasformatori del sistema medesimo.

Nei riguardi di altri impianti, propri o di terzi, come si è già potuto mostrare nel capitolo 2 dell’elaborato, si possono riscontrare corrosioni elettrolitiche dovute ad impianti in corrente continua e correnti indotte da quelli in corrente alternata. Per il primo caso, bisogna premettere che in nessuna ferrovia le rotaie sono isolate dal terreno. Un completo isolamento comporterebbe la presenza di pericolosi potenziali rotaia – terra in zone lontane dalle sottostazioni per effetto delle cadute di potenziale lungo le rotaie dovute ai carichi di trazione. Il terreno assume perciò la funzione di conduttore parallelo alle rotaie (con una resistenza più o meno elevata a seconda delle sue caratteristiche) ed è percorso perciò da parte della corrente di ritorno (che circola inoltre nelle rotaie), cioè le cosiddette correnti disperse. Il fenomeno è presente in entrambi i sistemi ed è tanto più rilevante quanto meno efficiente risulta il collegamento elettrico costituito dalle rotaie e quanto più elevate risultino le correnti derivate dai treni, rispetto alla potenzialità dell’impianto. L’intensità delle correnti disperse aumenta in corrispondenza di zone umide; si ricorda che esse percorrono qualsiasi elemento conduttore presente nel terreno, quindi tubazioni, guaine di cavi elettrici, armature di strutture di cemento armato e simili.

Nei sistemi di trasmissione in c.c., essendo unidirezionali, esse provocano corrosioni elettrolitiche in corrispondenza dei punti in cui abbandonano il corpo metallico in cui si sono incanalate, in genere le suole delle rotaie nei punti lontani dalle sottostazioni ed i vari corpi metallici in prossimità di esse. Per combattere questo fenomeno, occorre possedere una buona conducibilità del circuito di ritorno, aggiungere eventualmente dei cavi in parallelo e questi sono provvedimenti attivi. Oppure si possono isolare le strutture metalliche rispetto al terreno mediante rivestimenti con resine metalliche o applicare la cosiddetta protezione catodica (come si può notare dalla figura 108) che permette un’opportuna polarizzazione rispetto al terreno, e questi sono provvedimenti passivi.

172 Figura 108: esempio di applicazione della protezione catodica [12]

Nei sistemi in corrente alternata, le correnti nelle rotaie e quelle disperse nel terreno non danno luogo a fenomeni di corrosione elettrolitica, ma creano dei campi elettrici capaci di indurre correnti o tensioni in conduttori paralleli alla linea. L’induzione elettromagnetica inoltre produce dei disturbi nelle linee telefoniche e di trasmissione dati parallele, impedendo in alcuni casi qualsiasi forma di comunicazione. Questo fenomeno è presente ma non è rilevante per i sistemi in corrente continua.

Per entrambi i sistemi, occorre ricordare come il parallelismo di una linea sotto tensione con una isolata comporti per quest’ultima una tensione anche per induzione elettrostatica, cioè un effetto che cresce all’aumentare del parallelismo, anche se risulta pericoloso ciò per determinate condizioni.