CAPITOLO 2

CAPITOLO 2

LA RETE ELETTRICA

Il punto di forza della rete powerline è rappresentato dal fatto che è una rete già esistente, con una capillarità paragonabile e spesso superiore a quella tradizionale della rete telefonica, la POTS (Public Operator Telephone System); la powerline è attualmente una struttura poco utilizzata rispetto alle potenzialità che ha di essere usata come mezzo di trasmissione dati.

Esistono apparecchiature di telecomunicazioni prodotte a questo scopo, che associate a queste linee consentono la comunicazione a distanza contemporaneamente al trasporto di energia elettrica, senza creare interferenze reciproche. Le comunicazioni su onde convogliate sul supporto fisico costituito dalle linee di trasporto dell’energia elettrica hanno come prerogativa quella di garantire una grande sicurezza di funzionamento e un basso costo in quanto utilizza i cavi già installati.

Con questa rete si possono risolvere alcuni problemi di cablaggio degli uffici, in particolare nel caso di palazzi storici, di grande valore architettonico; questo perché l’alimentazione elettrica è presente ovunque e non si presenta, quindi, la necessità di installare nuovi cavi o di modificare quelli esistenti.

Prima di entrare nel merito dell’analisi delle caratteristiche trasmissive delle powerline diamo uno sguardo alla struttura topologica della rete elettrica.

2.1 – Classificazione delle reti elettriche

Le reti elettriche di distribuzione di energia elettrica a bassa e media tensione in corrente alternata costituiscono, nella generalità dei casi, il mezzo attraverso cui vengono raggiunti i singoli centri di utilizzazione, dal complesso industriale al piccolo consumatore.

L’energia elettrica prodotta nelle centrali può essere distribuita direttamente quando le utilizzazioni di potenza siano sufficientemente vicine alle stesse, o indirettamente se non è verificata questa condizione. Nel primo caso, l’energia prodotta alla tensione di circa 10 KV viene utilizzata direttamente a M.T., o vettorizzata a stazioni di trasmissione secondarie (cabine) da cui si diparte tutta la rete a b.t. Il tutto è schematizzato nella figura sottostante.

Nel caso più comune della distribuzione indiretta (vedi fig. 2.2) delle lunghe linee di trasmissione ad A.T. risultano interposte fra produzione e consumo.

Fig. 2.2 Alimentazione indiretta delle utilizzazioni dell’energia elettrica.

Naturalmente queste due possibilità possono sussistere contemporaneamente e, in casi speciali, l’alimentazione di un’utilizzazione può avvenire ad A.T.

Figura 2.3 Alimentazione di un’utenza in A.T.

Le tensioni di distribuzione in Italia, per legge, sono state normalizzate ai valori

220/380 V e 127/220 V nella b.t. (a livello europeo per la b.t., è stata unificata la tensione a 230/400 V); invece per la M.T. ci sono valori consigliati (10-15-20-30KV) dalle normative CEI.

Attualmente per la M.T. viene utilizzato il valore di 20 KV per reti in cavo cittadine e per le linee aeree di collegamento e alimentazione di piccoli e medi centri abitati e di industrie, per la b.t. è invece usato il valore 220/380.

Il valore di frequenza utilizzato da tutti gli impianti è normalizzato a 50 Hz.

2.1.1 - Reti di distribuzione b.t.

Le reti di distribuzione a b.t. sono costituite dalle cabine di trasformazione MT/bt e dalle linee periferiche di distribuzione che servono a trasportare l’energia elettrica a b.t. dalle cabine alle utenze che si trovano nel raggio di azione delle stesse e che non presentino carichi concentrati rilevanti.

2.1.2 - Reti di distribuzione M.T.

Le reti di distribuzione ad M.T. sono costituite dalle stazioni di trasformazione AT/MT e dalle linee a MT che servono per la diretta alimentazione di stabilimenti industriali e delle cabine MT/bt. In ambedue eventualità le linee si presentano in genere caricate alle estremità o soltanto in pochi punti.

Gli obiettivi comuni che si vogliono ottenere nella costruzione di una rete sono i seguenti:

- una buona qualità del servizio;

- elasticità (cioè possibilità di ampliamenti in dipendenza degli aumenti di carico e di acquisizione di nuova utenza);

2.2 – Struttura delle reti elettriche

In generale, non possiamo considerare un solo tipo di rete, M.T. o b.t., in tutti i casi che si presentano in pratica. Questo perché al variare della densità e della distribuzione dei carichi, si presentano esigenze diverse e la scelta è condizionata da molte condizioni locali.

Possiamo distinguere reti comuni alla M.T. ed alla b.t. (reti radiali e ad anello) e strutture proprie alla M.T. e b.t..

2.2.1 - Reti radiali

La struttura base di una rete radiale è costituita essenzialmente da un centro di alimentazione (stazione o cabina di trasformazione) da cui partono le linee principali con le rispettive diramazioni.

Figura 2.5 Schema di una rete radiale a b.t.

vantaggi che presenta una rete di questo tipo sono i seguenti:

sono facilmente

b) zione delle correnti sulla rete;

ione.

li svantaggi, invece, sono:

e dei carichi; I

a) facilità di esercizio perché gli eventuali guasti localizzabili; chiara distribu c) semplicità costruttiva; d) economia nell’installaz G a) minima compensazion

b) limitata possibilità di ampliamento; c) modesta qualità del servizio.

Nelle reti radiali, se si verifica una condizione di sovraccarico periferica, questo comporta l’appesantirsi delle condizioni di utilizzazione di un solo tratto di rete; quello che si ottiene è un peggioramento delle condizioni di alimentazione dei carichi di tutta la rete.

La mancanza di una possibile compensazione dei carichi si ripercuote anche nella difficoltà di realizzare semplici ampliamenti della rete.

Le reti b.t. sono le più utilizzate in Italia e il loro utilizzo dovrebbe essere limitato a quei casi in cui l’economia di impianto costituisce il fattore preminente.

2.2.2 - Reti ad anello.

Il sistema di distribuzione ad anello con una o più alimentazioni viene frequentemente adoperato in M.T. per alimentare grossi carichi concentrati (questo avviene, ad esempio, nelle industrie), per i quali è importante mantenere la continuità di esercizio.

Gli anelli in M.T. vengono tipicamente usati anche per collegare tutte le cabine di distribuzione di una città, con possibilità di sezionamento dell’anello in una qualunque di esse. In questo modo, in caso di guasti, si può mettere facilmente fuori servizio il tratto di linea dove si è verificato il guasto e, continuare l’esercizio con i due tratti rimasti integri.

La realizzazione della distribuzione ad anello consente di ottenere una migliore distribuzione dei carichi ed anche una maggiore sicurezza di esercizio nei confronti delle reti radiali. Per le reti b.t. l’uso di anelli è sempre limitata a distribuzioni a carattere locale che però presentano l’esigenza di piccole cadute di tensione e di maggiore sicurezza di alimentazione.

Spesso alcune reti radiali in b.t. viene predisposta la possibilità di chiusura in anello tramite un selezionatore che, in condizione di esercizio normale, resta aperto.

Figura 2.7 Schema di reti radiali con possibilità di chiusura ad anello.

2.2.3 - Reti a maglie.

Le reti a maglie possono avere due origini: o nascere come tali o essere il risultato di una modificazione di reti radiali già esistenti.

La differenza sostanziale è dovuta al fatto che quando si va a modificare una rete radiale, con l’aggiunta di collegamenti di chiusura, la magliatura risulta parziale ed irregolare; la rete quindi presenta in genere elementi costruttivi uno diverso dall’altro.

Nell’altro caso, a cui ci riferiremo in seguito, la rete è costituita da maglie fitte e regolari, realizzate con elementi costruttivi tutti uguali.

Le reti a maglia che in genere vengono usate per cavi sotterranei, sono caratterizzate positivamente da:

a) Caduta di tensione.

b) Elasticità di funzionamento. c) Costo.

La caduta di tensione, nelle reti a maglia, avviene in modo praticamente indipendente dal punto in cui avviene l’utilizzazione. Questo perché ogni utilizzatore viene ad essere alimentato dal complesso dei rami che, suddividendosi il carico, trasportato correnti notevolmente più piccole di quelle relative al singolo alimentatore radiale.

Per quanto riguarda l’elasticità di funzionamento, essa permette alle reti a maglia di poter far fronte agli incrementi del carico senza introdurre grandi cambiamenti sulla rete di distribuzione. E’ quindi sufficiente infittire le maglie introducendo nuovi centri di alimentazione e ridurre le distanze che intercorrono fra essi ed i carichi. Per lati di maglie troppo carichi si può al più raddoppiare la sezione del conduttore affiancandogliene un altro identico.

I costi annui delle reti a maglia regolare, per densità di carico uniformi e superiori a 3 MVA/km2, se razionalmente costruite ed esercite, risultano minori dei costi delle reti radiali.

2.3 – Caratterizzazione delle linee elettriche

2.3.1 – Le linee aeree

In questo paragrafo verranno trattate le principali caratteristiche funzionali delle linee elettriche, sia in cavo che aeree, cercando di chiarire le funzioni dei vari elementi, i criteri di scelta e i vantaggi e gli svantaggi di particolari soluzioni.

2.3.1.1- Conduttori per linee aeree.

I conduttori devono consentire il passaggio della corrente elettrica lungo la linea, con il minimo dispendio di energia. Nel caso di linee aeree i conduttori sono soggetti a sforzi meccanici dovuti alla tesatura tra i sostegni, al peso proprio e a sovraccarichi di vento e ghiaccio; questi sforzi possono anche assumere valori notevoli a e ai quali devono resistere con un sufficiente grado di sicurezza.

Possiamo riassumere i requisiti richiesti ad un buon conduttore nel seguente modo:

- Basso valore di resistività elettrica, in modo da presentare una resistenza elettrica il più possibile ridotta.

- Basso valore del peso specifico, in modo da avere un conduttore di peso contenuto.

- Adeguato valore del carico di rottura meccanico, in relazione agli sforzi a cui è soggetto il conduttore.

Nelle linee elettriche i conduttori possono essere a filo unico o a corda, ossia composti da un certo numero di fili di minor diametro; le corde presentano il vantaggio di avere una maggiore flessibilità e facilità di posa in opera. I conduttori a filo unico, invece, sono solo in rame.

Nella tabella sottostante sono elencate le caratteristiche, a 20 °C, di questi elementi:

Rame Alluminio Acciaio-

Alluminio Resistività 17,8 Ωmm /2 km 28,4Ωmm /2 km 28,4Ωmm /2 km Peso specifico 87 N/dm3 26,5 N/dm3 77 N/dm3 Carico di rottura unitario 370 N/mm2 147 N/mm2 1176 N/mm2

Per poter aumentare il carico di rottura dell’alluminio è stata realizzata una lega, detta aldrey, costituita da alluminio, magnesio e silicio e avente carico di rottura minimo per fili elementari pari a circa 300 N/mm2 e quindi doppio rispetto all’alluminio. La presenza degli altri elementi fa aumentare la resistività elettrica, fino a 32,5 Ω mm2/km. Le altre caratteristiche rimangono pressoché invariate rispetto all’alluminio.

Nelle linee aeree sono presenti anche dei conduttori o corde di guardia, montati in cima ai sostegni, in numero di uno o due a seconda del tipo di sostegno e servono per proteggere le linee dalle sovratensioni di origine atmosferica.

In pratica le funi di guardia fungono da parafulmini, e convogliano a terra, tramite i sostegni a cui sono collegati e i relativi impianti di terra, le correnti impulsive originate dai fulmini. Un altro compito tipico delle funi di guardia è quello di mettere in parallelo tutti i sostegni in modo da ridurre la resistenza totale di terra della linea.

2.3.1.2 – Confronto fra conduttori diversi.

Consideriamo due fili conduttori, entrambi di lunghezza L, di sezioni, rispettivamente S1 e S2 e resistività ρ e 1 ρ ; essi presentano la stessa resistenza 2

elettrica se è soddisfatta l’equazione:

2 2 1 1 S L S L ⋅ = ⋅ ρ ρ 2 2 1 1 S S ρ ρ = e quindi: 1 2 1 2 ρ ρ = S S

Questa relazione stabilisce una proporzionalità diretta tra le sezioni e le resistività; si nota che la sezione aumenta al crescere della resistività.

6 , 1 8 , 17 4 , 28 ₌ = cu al S S

Confrontando l’alluminio ed il rame abbiamo:

S

=1,6*S

Da quest’ultima risulta che, a parità di resistenza elettrica, il conduttore in alluminio deve avere una sezione maggiore del 60%, rispetto a quella di rame. Confrontando i pesi del conduttore abbiamo:

L S L S G G cu al cu al cu al ⋅ ⋅ = γ γ Sostituendo i pesi specifici otteniamo:

cu

al G

G = 50, ⋅

Possiamo quindi dire che, nonostante l’aumento della sezione, il peso del conduttore di alluminio è circa la metà di quello di rame.

Effettuando lo stesso tipo di confronto con il carico di rottura otteniamo che Fal=0,63 Fcu e, quindi, l’aumento della sezione dell’alluminio non compensa completamente il piccolo valore del suo carico di rottura unitario.

Confrontiamo adesso la lega aldrey e il rame; ciò che si osserva è la maggiore resistenza meccanica dei conduttori in aldrey che, con l’aumento di sezione, compensano il valore del carico unitario leggermente minore rispetto al rame. Abbiamo infatti le seguenti relazioni:

cu

ad S

S = 81, ⋅ e Fad = 421, ⋅Fcu.

Un altro fattore di valutazione è il costo, maggiore per il rame, che ha un prezzo soggetto a sbalzi sui mercati internazionali. Dobbiamo tener conto del fatto che l’aumento del costo totale, è determinato dal costo più elevato al chilogrammo e dal maggior peso.

Il rame però presenta i alcuni vantaggi, tra i quali abbiamo:

- Minor diametro dei conduttori, con conseguente minor sovraccarico per vento e ghiaccio.

- Facilità nei collegamenti elettrici e meccanici.

- Maggiore durezza e resistenza alle abrasioni, cosa che facilita le operazioni di tesatura.

Tenendo presente tutte le considerazioni fatte, possiamo concludere che, per le linee in A.T., l’uso esclusivo dei conduttori in alluminio-acciaio è giustificato dal minor peso e dal minor costo; per le altre linee invece, si valuta la convenienza tecnico-economica dell’aldrey, il cui utilizzo si sta diffondendo sempre più in sostituzione del rame.

2.3.2 – Cavi elettrici: classificazione.

Quando parliamo di cavo elettrico facciamo riferimento essenzialmente ad un sistema di conduttori riuniti tra loro (oppure un unico conduttore), ciascuno isolato rispetto agli altri e all’esterno. Ogni conduttore con il proprio isolante costituisce l’anima del cavo.

I cavi per l’energia, normalizzati dal CT 20 del CEI, servono per trasmettere energia elettrica da un punto ad un altro dell’impianto, in sostituzione delle linee aeree quando quest’ultime non si possono realizzare; i cavi presentano un minor ingombro e maggiore sicurezza, ma un costo maggiore.

I cavi vengono ormai utilizzati comunemente nel settore della distribuzione a bassa tensione; e si sta facendo lo stesso nella distribuzione in media tensione nelle zone ad elevata densità di carico.

Possiamo distinguere i cavi in base alla tensione di esercizio nel seguente modo: - Cavi per bassa tensione, impiegati nei sistemi di categoria zero (con

tensione nominale ≤ 50 V) e prima (con tensione nominale 50 V< Vn ≤ 1000 V).

- Cavi per media e alta tensione, impiegati nei sistemi di categoria seconda (con tensione nominale 1000 V < Vn ≤ 30000 V) e terza (con tensione nominale 30000 V). ≥

Possiamo effettuare la distinzione anche in base al tipo di isolante usato:

- Cavi isolati con materiale elastomerico, costituito da molecole a base di gomma naturale (sempre meno utilizzato) o sintetica come la gomma butilica, etilenpropilenica (EPR) e siliconica.

- Cavi isolati con materiale termoplastico, costituito da resine termoplastiche come il polinilcloruro (PVC) e polietilene (PE).

- Cavi isolati in carta impregnata, distinti a loro volta in base al tipo di impregnazione (normali, a olio fluido e a pressione di gas).

Un’ulteriore distinzione viene fatta in base al numero delle anime nei cavi unipolari, bipolari, tripolari, multipolari e a seconda della presenza o meno del conduttore di protezione per il collegamento dell’impianto di terra.

La struttura di un cavo può variare a seconda del numero delle anime e della tensione di esercizio. Nella seguente figura è mostrata la sezione di un cavo tribolare, dove sono evidenziate le parti che lo costituiscono.

Da ricordare che non tutte le parti sono presenti in tutti i tipi di cavo; come ad esempio il materiale di riempimento, la cintura e l’armatura metallica che non vengono utilizzati per cavi di sezione non elevata in bassa tensione non soggetti a particolari stress meccanici.

Figura 2.8 Struttura di un cavo tribolare, con conduttori rotondi o settoriale.