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:
V1·i1 = V2·i2
L’incremento di tensione è proporzionale al rapporto fra il
numero di spire degli avvolgimenti:
V2/V1 = N2/N1
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)
U1
380 kV/132 kV
20 kV/380 kV

U2
132 kV/20 kV
20 kV
220/380 V
G
20 kV
T2
T1
L1
T3
L2
L3
U3
La figura mostra lo schema del sistema di produzione, trasporto, distribuzione
ed utilizzo della energia elettrica:
● 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.
CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI ELETTRICI
IN BASE ALLA TENSIONE NOMINALE
Norma CEI 64-8
● Sistemi di categoria zero:
Vn 50 V se in corrente alternata;
Vn 120 V se in corrente continua.
● Sistemi di prima categoria:
50 Vn 1000 V se in corrente alternata;
120 Vn 1500 V se in corrente continua.
● Sistemi di seconda categoria:
1000 Vn 30 000 V se in corrente alternata;
1500 Vn 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)
Vn < 1000 Volt
● media tensione (MT)
1000 Volt < Vn < 30 000 Volt
● alta tensione (AT)
30 000 Volt < Vn < 130 000 Volt
● altissima tensione (AAT)
Vn > 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
cos 
3
 0.867
2
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
Corrente continua
Sc
Ic
V
P
 L  2
Pd ,c  2    Ic
 Sc 
P  VIc
G  2Sc L
 L  2
Pd ,m  2  
 I m
S
 m
Corrente alternata monofase
Sm
Im
V
 L2  P 2
Pd  4 
 2
G

V
P
P  VIm cos
4  L2  P 2
Pd 


cos2   G  V 2
G  2SmL
Corrente alternata trifase
 L 2
Pd ,t  3    It
 St 
St
It
V
P
P  3VIt cos
G  3St L
L
 L2  P 2
3
Pd 


cos2   G  V 2
RIFASAMENTO
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:
● la potenza dissipata lungo la linea (proporzionale al quadrato del valore
efficace della corrente (Pd = R Ieff2)
● le cadute di tensioni lungo la linea (proporzionali al valore efficace della
corrente (Veff = |Z | Ieff)
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
CALCOLO DELLA CAPACITÀ DI RIFASAMENTO: CARICO MONOFASE
P  VI cos  
 
Q  VI sin  
Q  P tan 

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
I
L
I
C
V
U
C

Q  P tan 
Q  QC  P tan '
;
QC  -CV 2
’
I
C
C 
P
ω V2
I
C

V

QC  P tan ' - tan 
I
tan  - tan ' 
I
L

I
Calcolo della capacità di rifasamento: carico trifase
P  3VI cos  

 
Q  3VI sin  

Q  P tan 
Q  QC  P tan '
Q  P tan 

QC  P tan ' - tan 
Condensatori collegati a stella :
2
 ωC V 



   ω CV 2
3
QC  -3
ωC
P
tan  - tan ' 
C 
2
ωV
1
2
3
U
C
Condensatori collegati a triangolo:
ωCV 
2
QC  -3
C 
P
3 V 2
ωC
 3 ω C V 2
tan  - tan ' 
1
2
3
U
C
ORGANI DI MANOVRA E PROTEZIONI
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 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).
INTERRUTTORI
Un interruttore è generalmente realizzato mediante due elettrodi: uno fisso ed
uno mobile.
● 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
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.
Esempio di
interruttore
in olio per
MT
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 chiusura
chiusura
apertura
aperto sezionatori interruttore 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 fiume
acqua di mare
argille
argille con
sabbia
sabbia
terreno
ghiaioso
rocce compatte
Valori indicativi della resistività elettrica di alcuni tipi di terreno
EFFETTI DEL TERRENO
+
La presenza del terreno
modifica il percorso delle
linee di campo elettrico
sotto una linea aerea
I
A
La presenza del terreno permette il
passaggio della corrente elettrica tra
due dispersori di terra
B
I
T
A
RA
B
RB
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.
CALCOLO DELLA RESISTENZA DI TERRA
B
R0
I
r
I 1
V r  
2s r
B
RB
T
Si consideri un dispersore emisferico di raggio R0
che disperda in un terreno omogeneo, di
conducibilità s, una corrente I. La legge di
variazione del potenziale elettrico è:
I
Il potenziale elettrico è massimo in corrispondenza
della superficie del dispersore e si annulla
asintoticamente all’infinito. La resistenza di terra
RB del dispersore assume quindi il valore:
I
RB 
2sR0
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
conduttore in
tensione
corpo
isolante
elettrodi
spinterometrici
conduttore in
tensione
elettrodi
spinterometrici
corpo
isolante
Resistore
nonlineare
● 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.
PROTEZIONE DALLE SOVRACORRENTI
Le sovracorrenti (valore di corrente superiore a quello nominale) si generano a
causa di:
● 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.
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.
R
interruttore
I
U
IR
relè
I relè amperometrico utilizzato è il relè magneto-termico, costituito da un relè
termico ed un relè magnetico con correnti di intervento opportunamente
coordinate.
RELÈ TERMICO
t
Ilim
I/In
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 MAGNETICO
I
t
A
C
FEM
EM
M
FM
C
Ilim
I/In
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 (FEM), proporzionale alla corrente I,
ed una forza di natura meccanica, dovuta alla molla M.
● 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 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.
10
●
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)
1
t [s]
0.1
0.01
20
50
100
200
Tensione [V]
Curva di sicurezza tensione-tempo per
impianti di categoria 1 (CEI 64-8)
SICUREZZA ELETTRICA NEGLI IMPIANTI DI
DISTRIBUZIONE DELLA ENERGIA ELETTRICA IN BT
1
2
3
n
a)
ig
●
●
●
1
2
3
n
b)
ig
La distribuzione della energia elettrica in BT viene fatta mediante linee elettriche
trifase (Vc = 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)
PROTEZIONE DAI CONTATTI INDIRETTI:
1
2
3
n
relè
differenziale
ig
ig
Vc
3
+
-
RP
RT
iT
RN
iP
RPT
ig
iT
iP
RP = resistenza della persona
RPT = resistenza di terra della persona
RN = resistenza di terra del neutro
● RP ed RPT dipendono dalla persona
La protezione dai contatti indiretti, secondo la norma CEI 64-8, si realizza mediante:
● 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.
RELÈ DIFFERENZIALE
N
i1
N1
Z
Ig
I  I  I
1
2
g
c
N
i2
● 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.
COORDINAMENTO DELLE PROTEZIONI
ig
+
Vc
3
+
-
RT
iT
RN
RP
vC
iP
-
VC = tensione di contatto (valore
efficace)
VC0 = tensione di contatto a vuoto =
tensione di contatto quando la
corrente ip è nulla (Rp = ):
VC 0 R T I g
RPT
Per ogni valore delle resistenze RP e
RTP risulta:
VC  VC 0
Se la corrente di guasto è inferiore alla corrente di
intervento differenziale dell’interruttore:
I g  I N
Affinché sia garantita la sicurezza, dalla curva di sicurezza
tensione-tempo, supponendo un tempo di contatto infinito
deve essere:
VC 0  UL
La sicurezza viene quindi garantita se:
RT I N  UL