IMPIANTI ELETTRICI

IMPIANTI ELETTRICI

RICHIAMI DI ELETTROTECNICA

Grandezze fondamentali:

● Tensione V o differenza di potenziale

V:

Si misura in Volt (V);

E’ l’equivalente della prevalenza della pompa in un circuito idraulico.

● Corrente i:

Si misura in Ampere (A);

E’ l’equivalente della portata di fluido che circola in un circuito idraulico.

● Resistenza R:

Si misura in Ohm ()

E’ l’equivalente dell’attrito in un circuito

idraulico

Leggi dell’ELETTROTECNICA

Legge di Ohm:

● V = R·i

esprime un legame lineare fra tensione e corrente

Leggi di Joule:

● W = V·i = R·i² = V² / R

Esprimono la potenza in Watt dissipata sul

carico

TRASFORMATORE

Apparecchio che accoppia due circuiti elettrici, facendo variare tensione e corrente. Trascurando le perdite si ha:

V

·i

= V

·i

L’incremento di tensione è proporzionale al rapporto fra il numero di spire degli avvolgimenti:

V

/V

= N

/N

Corrente Continua e Corrente Alternata

• Un generatore di corrente continua mantiene un voltaggio costante nel tempo

• Un generatore di corrente alternata produce un voltaggio che oscilla nel tempo, diventando

alternativamente positive e negation, con legge

sinusoidale (tipicamente con f=50 Hz in Europa e f=60

Hz negli USA)

Corrente Trifase

• Tre generatori di corrente alternata

producono tre segnali sfasati di 120°, riferiti al Neutro (conduttore isolato ma

sostanzialemente a terra)

• La distribuzione avviene con un cavo a 5

conduttori (le tre fasi, il neutro e la terra vera

e propria)

U₃

● L’energia elettrica viene prodotta nelle centrali (termoelettriche,

idroelettriche, nuleari, eoliche, solari ...) mediante generatori che sono principalmente generatori sincroni.

● Per trasportare l’energia elettrica dai luoghi di produzione a quelli di

utilizzo si fa uso di linee aeree trifase ad elevata/elevatissima tensione per ridurre le perdite lungo la linea. I trasformatori trifase consentono la

trasformazione dei valori di tensione.

● La distribuzione della energia elettrica agli utenti industriali viene fatta

mediante linee trifase in alta/media tensione; la distribuzione della energia elettrica alle utenze domestiche viene fatta mediante linee trifase col filo neutro in bassa tensione.

G

20 kV

20 kV/380 kV

L₁

380 kV/132 kV

T₁ T₂



20 kV 220/380 V

L₂

U₂ 132 kV/20 kV

T₃ U₁

L₃

La figura mostra lo schema del sistema di produzione, trasporto, distribuzione ed utilizzo della energia elettrica:

CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI ELETTRICI IN BASE ALLA TENSIONE NOMINALE

Norma CEI 64-8

● Sistemi di categoria zero:

V_n 50 V se in corrente alternata;

V_n 120 V se in corrente continua.

● Sistemi di prima categoria:

50 V_n 1000 V se in corrente alternata;

120 V_n 1500 V se in corrente continua.

● Sistemi di seconda categoria:

1000 V_n 30 000 V se in corrente alternata;

1500 V_n 30 000 V se in corrente continua.

● Sistemi di terza categoria:

Vn 30 000 V sia in corrente alternata che in corrente continua Ai fini della distribuzione della energia elettrica si distinguono:

● bassa tensione (BT) V_n < 1000 Volt

● media tensione (MT) 1000 Volt < V_n < 30 000 Volt

● alta tensione (AT) 30 000 Volt < V_n < 130 000 Volt

● altissima tensione (AAT) V_n > 130 000 Volt

Il trasporto della energia elettrica può avvenire mediante:

● linea in corrente alternata trifase.

● linea in corrente alternata monofase.

● linea in corrente continua.

Il sistema di trasporto più conveniente è quello che a parità di:

● potenza trasmessa (P)

● tensione di esercizio (V)

● lunghezza della linea (L)

● materiale conduttore impiegato

● costo di impianto (proporzionale in prima approssimazione alla quantità di conduttore utilizzata nella linea)

Presenta le minori perdite per effetto Joule lungo la linea.

CONFRONTO FRA TRASMISSIONE IN C.C. E TRASMISSIONE IN C.A. MONOFASE E TRIFASE

A parità di:

● L = lunghezza della linea di trasmissione (m)

● P = potenza (attiva) trasmessa (W)

● V = Tensione nominale (Volt)

● cos() = fattore di potenza del carico

●  = resistività elettrica del conduttore (S/m)

● G = peso di conduttore utilizzato Risulta:

● La potenza dissipata sulla linea in c.a. trifase è minore del 25% di quella dissipata sulla linea in c.a. monofase.

● La potenza dissipata sulla linea in c.a. trifase è pari a quella dissipata sulla linea in c.c. quando risulta

 

2 cos   3 

Per valori maggiori del fattore di potenza la potenza dissipata sulla linea in c.a.

trifase è minore di quella dissipata sulla linea in c.c., viceversa per valori minori del fattore di potenza

L

VIc

P 

Corrente continua

2

, 2 _c

c c

d I

S P L 

 







L S G  2 _c

2 2 2

4 V

P G P_d L 

 



  

Corrente alternata trifase

S_c

I_c V P

S_m

I_m V P ^{P VI}_m ^cos ^

2

, 2 _m

m m

d I

S

P L 



 







L S G  2 _m

  ²

2 2

cos2

4

V P G P_d L 

 



 

 

Corrente alternata monofase

I_t V P

S_t

 ^

 3VI_t cos P

2

, 3 _t

t t

d I

S P L 

 







L S G  3 _t

  ²

2 2

cos2

3

V P G

P_d L 



 



 

 

RIFASAMENTO

● la potenza dissipata lungo la linea (proporzionale al quadrato del valore efficace della corrente (P_d = R I_eff²)

● le cadute di tensioni lungo la linea (proporzionali al valore efficace della corrente (V_eff = |Z | I_eff)

Per ridurre le perdite per effetto Joule nelle linee di trasmissione si ricorre alla tecnica del rifasamento dei carichi aventi un valore basso del fattore di potenza.

La tecnica consiste nel collegare in parallelo al carico da rifasare un componente in grado di fornire al carico tutta (rifasamento completo) o in parte (rifasamento parziale) la potenza reattiva di cui necessita:

● ai carichi Ohmico-induttivi (la quasi totalità dei carichi di interesse industriale) viene collegato in parallelo un condensatore

● ai carichi Ohmico-capacitivi viene collegato in parallelo un induttore

Il carico rifasato assorbe dalla linea una corrente con valore efficace minore di quella assorbita dal carico non rifasato riducendo così contemporaneamente:

Il rifasamento dei carichi con basso valore del fattore di potenza viene incentivato dall’Ente distributore dell’energia elettrica, imponendo un prezzo maggiore per la potenza assorbita con fattore di potenza maggiore di 0.9





 









 Q P tan

VI sin Q

VI cos P

I

V

I

I

I



’

CALCOLO DELLA CAPACITÀ DI RIFASAMENTO: CARICO MONOFASE

 

C C

CV -

Q

; ' - tan

tan P

Q

' P tan

Q Q

P tan Q























Si calcola il valore che deve avere la capacità C del condensatore per raggiungegere il valore cos(’) (ad esempio cos(’) = 0.9) del fattore di carico del carico rifasato

 

tan - tan ' ω V

P

C  ₂  





C

I

V

I

I

U





 











 Q P tan

VI sin 3

Q

VI cos 3

P

Calcolo della capacità di rifasamento: carico trifase



















' - tan tan

P

Q

' P tan

Q Q

P tan Q

C

C

 

tan - tan ' ω V

P

C  ₂  

Condensatori collegati a stella :

Condensatori collegati a triangolo:

 

tan - tan '

V 3 P

C ₂  

 

1 2 3

U

C

1 2 3

U

C

 

²

2

C 3ωCV

ωC -3 ωCV

Q   

²

2

C ωCV

ωC 3 ωC V -3

Q   



 







ORGANI DI MANOVRA E PROTEZIONI

● interruttori automatici (interruttori comandati automaticamente da un dispositivo che prende il nome di relè).

● fusibili;

● scaricatori di tensione;

● impianto di terra.

(a) (b)

Simboli dell’interruttore manuale (a) ed automatico (b).

Per potere utilizzare in sicurezza l’energia elettrica sono inseriti nell’impianto degli organi di manovra e dei sistemi di protezione.

Gli organi di manovra devono consentire il funzionamento dell’impianto in condizioni normali. Essi sono costituiti dagli interruttori e dai sezionatori,

● gli interruttori sono in grado di aprire e chiudere un circuito a carico;

● i sezionatori sono in grado di aprire e chiudere un circuito a vuoto.

Gli organi di protezione devono intervenire, in caso di guasto, per proteggere i dispositivi elettrici (protezione dalle sovracorrenti e dalle sovratensioni) e le persone (protezione dai contatti diretti od indiretti). Essi sono costituiti da:

INTERRUTTORI

● Nella posizione di interruttore chiuso l’elettrodo mobile è pressato contro l’elettrodo fisso.

● Nella posizione di interruttore aperto l’elettrodo mobile è separato dall’elettrodo fisso da uno spessore di materiale isolante

Esempio di interruttore in olio per

MT Un interruttore è generalmente realizzato mediante due elettrodi: uno fisso ed uno mobile.

Durante il processo di apertura dell’interruttore, al momento del distacco dell’elettrodo mobile da quello fisso, nasce un arco elettrico (E = V/d > K = rigidità dielettrica del materiale isolante) che si estingue prima che l’elettrodo mobile abbia raggiunto la posizione di fine corsa, corrispondente allo stato di interruttore aperto.

CARATTERISTICHE DEGLI INTERRUTTORI

TIPI DI INTERRUTTORI

● Interruttori in olio

● Interruttori ad aria compressa

● Interruttori ad esafluoruro di zolfo (SF₆)

● Interruttori in aria a deionizzazione magnetica (DEION)

● Interruttori sotto vuoto

PRINCIPALI CARATTERISTICHE FUNZIONALI DEGLI INTERRUTTORI

● Tensione nominale: tensione che l’interruttore è in grado di sostenere indefinitamente nella posizione di interruttore aperto.

● Corrente nominale: corrente che l’interruttore è in grado di sostenere indefinitamente nella posizione di interruttore chiuso.

● Potere di interruzione: massima corrente (valore efficace se in corrente alternata) che l’interruttore è in grado di interrompere

SEZIONATORI

I sezionatori sono destinati ad

interrompere la continuità elettrica per le sole linee a vuoto. Pertanto sono sempre inseriti a

monte e a valle di un interruttore. I loro contatti, spesso del tipo a coltello, sono generalmente visibili e forniscono, in tal modo, una sorta di assicurazione visiva sullo stato di

apertura della linea.

circuito

aperto chiusura sezionatori

chiusura interruttore

apertura interruttore

apertura sezionatori

Il TERRENO

Nello studio del funzionamento degli impianti elettrici è indispensabile considerare la presenza del terreno.

Il terreno si comporta come un “conduttore” in grado di assorbire o cedere qualsiasi quantità di carica senza modificare il suo potenziale.

1 10 100 1000 10000 m

acqua di mare

acqua di fiume argille

argille con sabbia

sabbia

terreno ghiaioso

rocce compatte

Valori indicativi della resistività elettrica di alcuni tipi di terreno

La presenza del terreno modifica il percorso delle linee di campo elettrico sotto una linea aerea

+

La presenza del terreno permette il passaggio della corrente elettrica tra due dispersori di terra

I

A B

R_A R_B

I

A T B

Il nodo T rappresenta un punto nel

terreno posto ad infinita distanza da tutti i dispersori di terra dove il potenziale elettrico assume sempre il valore zero qualunque sia la corrente I che circola nei dispersori.

EFFETTI DEL TERRENO

Si consideri un dispersore emisferico di raggio R₀ che disperda in un terreno omogeneo, di

conducibilità , una corrente I. La legge di variazione del potenziale elettrico è:

Il potenziale elettrico è massimo in corrispondenza della superficie del dispersore e si annulla

asintoticamente all’infinito. La resistenza di terra R_B del dispersore assume quindi il valore:

CALCOLO DELLA RESISTENZA DI TERRA

  r r 1

 2 I V

B

R₀ r

I

R_B I B

T

2 R

R

I

 

Per realizzare valori piccoli della resistenza di terra è molto importante disporre attorno al dispersore un terreno avente una buona conducibilità elettrica

PROTEZIONE DALLE SOVRATENSIONI

Le sovratensioni (valore di tensione superiore a quello nominale) si distinguono in:

● sovratensioni di origine atmosferica, legate ai fulmini che possono colpire

direttamente le apparecchiature elettriche o essere a loro trasmessi dalle linee aeree; hanno forma impulsiva unidirezionale (fenomeni molto rapidi   1 s);

● sovratensioni interne, originate da manovre effettuate nell'esercizio

dell'impianto (per esempio apertura di circuiti induttivi, fenomeni lenti   1 ms).

La protezione dalle sovratensioni viene ottenuta:

● in via preventiva costruendo gli isolamenti e provando i componenti con una tensione (tensione d'isolamento nominale) maggiore di quella nominale.

● mediante inserzione di scaricatori a monte delle apparecchiature da proteggere (per le sovratensioni di origine atmosferica)

SCARICATORI DI TENSIONI

● Nella versione spinterometrica, sono costituiti da due elettrodi affacciati posti ad una certa distanza: uno di essi fa capo alla linea da proteggere mentre l’altro è collegato direttamente a terra.

● Quando la tensione di linea supera la rigidità dielettrica dell’aria interposta fra gli elettrodi, si verifica un arco elettrico, che costituisce la via preferenziale

attraverso la quale si scarica la sovratensione: la distanza fra le punte dipende dal valore della tensione per la quale si desidera che avvenga l’innesco

dell’arco.

● Gli scaricatori a resistenza non lineare sono realizzati ponendo in serie uno scaricatore spinterometrico con una resistenza non lineare allo scopo di mantenere praticamente costante la tensione ai capi della protezione.

elettrodi

spinterometrici Resistore

nonlineare conduttore in tensione

corpo isolante conduttore in

tensione

elettrodi

spinterometrici corpo

isolante

PROTEZIONE DALLE SOVRACORRENTI

● Guasti (cortocircuiti parziali o totali di avvolgimenti o parti di impianto); tali sovracorrenti permangono per un tempo infinito fino a quando non si

interrompe il circuito.

● Manovre effettuate nell'esercizio dell'impianto (apertura e chiusura di interruttori); tali sovracorrenti hanno una durata limitata nel tempo e si

estinguono naturalmente con le costanti di tempo tipiche dei circuiti in cui si manifestano.

La protezione dalle sovracorrenti viene ottenuta mediante:

● fusibili.

● interruttori automatici: interruttore + relè.

Le sovracorrenti (valore di corrente superiore a quello nominale) si generano a causa di:

FUSIBILE

(a) (b)

I fusibili sono i più semplici dispositivi di protezione contro le sovracorrenti.

Sono costituiti essenzialmente da un corto conduttore in lega a basso punto di fusione alloggiato entro un apposito contenitore. Il simbolo del fusibile è

riportato in figura (a); il simbolo di figura (b) si riferisce invece al fusibile dotato di indicazione a tratto spesso dell’estremo che rimane in tensione dopo

l’intervento.

Dopo l’intervento, il fusibile va sostituito per ristabilire la connessione elettrica dell’impianto.

I fusibili vengono sempre inseriti a monte dell’impianto seguiti da un interruttore automatico. Il tempo di intervento dei due dispositivi viene scelto in modo che, normalmente, la protezione venga garantita dall’interruttore automatico e quindi sia possibile, ad eliminazione del guasto avvenuta, procedere al ristabilimento delle condizioni operative dell’impianto mediante la semplice chiusura

dell’interruttore

RELÈ AMPEROMETRICO

Gli interruttori automatici utilizzati per la protezione dalle sovracorrenti

utilizzano i relè amperometrici, che intervengono quando la corrente supera un valore limite caratteristico del relè.

U

I

I_R R

relè

interruttore

I relè amperometrico utilizzato è il relè magneto-termico, costituito da un relè termico ed un relè magnetico con correnti di intervento opportunamente

coordinate.

Il relè termico è costituito da una lamina bimetallica.

● Ad ogni valore della corrente I corrisponde un valore della temperatura di regime della lamina, tanto più alto quanto più elevato è il valore della

corrente.

● Tanto più alta è la temperatura della lamina, tanto maggiore è la curvatura della stessa, dovuta al diverso valore del coefficiente di dilatazione termica dei metalli costituenti.

● Quando la temperatura raggiunge il valore di intervento, la curvatura della lamina fa sì che venga attivato il meccanismo di apertura dell’interruttore.

● Il tempo di intervento è tanto più breve quanto più alta è la sovracorrente.

RELÈ TERMICO

I/I_n t

I_lim

● Ad ogni valore della corrente I corrisponde una posizione di equilibrio della parte mobile, tanto più prossima alla parte fissa quanto più elevato è il

valore della corrente.

● Quando la corrente raggiunge il valore di intervento, la posizione di equilibrio della parte mobile fa sì che venga attivato il meccanismo di apertura dell’interruttore.

● Il tempo di intervento è molto breve, praticamente indipendente dal valore della corrente.

RELÈ MAGNETICO

I/I_n t

I_lim

Il relè magnetico è costituito da un nucleo di materiale ferromagnetico diviso in una parte fissa (EM) ed una parte mobile (A). La parte mobile è tenuta in

posizione da una forza di natura magnetica (F_EM), proporzionale alla corrente I, ed una forza di natura meccanica, dovuta alla molla M.

I

C C

M A

EM

F_EM

F_M

RELÈ MAGNETO-TERMICO

Il relè magneto-termico è costituito da un relè magnetico ed un relè termico le cui correnti di intervento sono coordinate in modo che:

● il relè magnetico interviene

rapidamente solo in caso di sovracorrenti di elevata intensità (15-20 volte quella nominale),

sicuramente dovute a corto-circuiti presenti nell’impianto.

● Il relè termico interviene con un tempo di intervento inversamente

proporzionale alla intensità della sovracorrente in caso di sovracorrenti di modesta entità (sovraccarichi) che possono anche essere dovute a “normali”

transitori dell’impianto.

EFFETTI BIOLOGICI DELLA CORRENTE ELETTRICA

La corrente elettrica, attraversando il corpo umano, produce effetti che

possono essere dannosi, fino a portare alla morte, a seconda del valore della intensità della corrente, della frequenza e del tempo di contatto:

● Tetanizzazione dei muscoli: i muscoli (anche quelli che presiedono alla respirazione) rimangono contratti, indipendentemente dalla volontà della persona.

● Fibrillazione ventricolare: il cuore perde la sua capacità di contrarsi

ritmicamente e non è più in grado di assicurare la circolazione sanguigna.

● Ustioni: il passaggio della corrente elettrica produce dissipazione di energia per effetto Joule e conseguente incremento della temperatura. Le ustioni prodotte risultano particolarmente dannose in quanto interessano anche i tessuti interni del corpo

CURVA DI SICUREZZA CORRENTE-TEMPO

La figura mostra la curva di sicurezza della corrente elettrica in regime di corrente alternata con una frequenza compresa tra 15 e 100 Hz.

● Se la corrente (valore efficace) è inferiore alla soglia di percezione (0.5 mA) il fenomeno non viene percepito

● Se la corrente è inferiore alla soglia di tetanizzazione (10 mA) la persona riesce a sottrarsi

volontariamente al contatto senza conseguenze.

● Se la corrente supera la soglia di tetanizzazione il contatto deve essere interrotto da un

dispositivo esterno prima di un tempo limite, individuato dalla curva di sicurezza, affinchè la persona non abbia conseguenze.

CURVA DI SICUREZZA TENSIONE-TEMPO

Dalla curva di sicurezza corrente-tempo, tenendo conto dei possibili valori della resistenza del corpo umano e della sua resistenza verso terra, le norme

ricavano la curva di sicurezza tensione–tempo.

● Se la tensione è inferiore ad un valore limite (50 V in ambiente al chiuso con una valore di resistenza verso terra di 1000 ) il contatto può permanere per un tempo infinito senza conseguenze.

● Se la tensione è superiore al valore limite, la sicurezza viene raggiunta solo se l’impianto è in grado di interrompere il contatto prima del tempo limite

definito dalla curva di sicurezza.

● Il valore di tensione da utilizzare è il valore di tensione di contatto a vuoto (calcolato supponendo nulla la corrente sulla persona)

Curva di sicurezza tensione-tempo per impianti di categoria 1 (CEI 64-8)

SICUREZZA ELETTRICA NEGLI IMPIANTI DI

DISTRIBUZIONE DELLA ENERGIA ELETTRICA IN BT

● La distribuzione della energia elettrica in BT viene fatta mediante linee elettriche trifase (V_c = 380 V) col filo neutro collegato a terra.

● Si definisce massa ogni conduttore, accessibile dalle persone, che è separato dai conduttori attivi dall’isolamento principale e che quindi normalmente non è in tensione rispetto al terreno, ma va in tensione quando si rompe l’isolamento

principale.

● Il contatto di una persona con un conduttore in tensione, con conseguente elettrocuzione, può avvenire, con una massa, in presenza della rottura dell’isolamento principale (contatto indiretto, figura a) o direttamente con i conduttori attivi (contatto diretto, figura b)

1 2 3 n

i_g

a)

1 2 3 n

i_g

b)

PROTEZIONE DAI CONTATTI INDIRETTI:

La protezione dai contatti indiretti, secondo la norma CEI 64-8, si realizza mediante:

1 2 3 n

i_g i_T i_g

i_P

relè differenziale

● Installazione di un interruttore differenziale con corrente di intervento differenziale non superiore a 30 mA.

● Collegamento a terra di tutte le masse del sistema.

● Coordinamento dei valori della resistenza di terra e della corrente di intervento differenziale dell’interruttore.

i_g

+

- i_P

R_P

R_PT R_T

R_N

i_T

3 Vc

R_P = resistenza della persona

R_PT = resistenza di terra della persona R_N = resistenza di terra del neutro

● R_P ed R_PT dipendono dalla persona

RELÈ DIFFERENZIALE

● In assenza di guasto le correnti i₁ ed i₂ sono uguali e non viene indotta nessuna f.e.m. nell’avvolgimento con N₁ spire.

● In presenza di guasto la differenza fra le correnti i₁ ed i₂ genera una f.e.m.

indotta nell’avvolgimento con N₁ spire.

● Se la corrente di guasto supera la corrente di intervento differenziale

dell’interruttore (I_N ) la f.e.m. indotta è sufficiente ad azionare il meccanismo di apertura dell’interruttore.

● La caratteristica di intervento del relè differenziale soddisfa la curva di sicurezza tensione tempo.

N

N₁ Z_c

i₁

N

I_g

i₂

I

I

I  







COORDINAMENTO DELLE PROTEZIONI

Affinché sia garantita la sicurezza, dalla curva di sicurezza tensione-tempo, supponendo un tempo di contatto infinito deve essere:

V_C = tensione di contatto (valore efficace)

V_C0 = tensione di contatto a vuoto = tensione di contatto quando la

corrente i_p è nulla (R_p = ):

Per ogni valore delle resistenze R_P e R_TP risulta:

L

C

U

V



N g

I

I 

Se la corrente di guasto è inferiore alla corrente di intervento differenziale dell’interruttore:

La sicurezza viene quindi garantita se:

R

I

 U

g T

C

R I

V



0 C C

V V 

i_g

+

- i_P

R_P

R_PT R_T

R_N

i_T

3

Vc v_C

+

-