Impianti elettrici [1 / 1]

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VINCENZO CATALIOTTI Professore ordinario di Impi-anti eletttici nella Facoltà di Ingegneria dell'Università di Palenno

IMPIANTI ELETTRICI Vol. I - Parte I

S. F. FLACCOVIO, EDITORE · PALERMO

PREFAZIONE

L'esperienza maturata in lunghi anni d'insegnamento mi ha convinto che è utile aggiungere agli argomenti di carattere generale, che fanno normalmente da premessa a un corso di Impianti elettrici, una ampia serie di richiami sui materiali adoperati nelle applicazioni elettrotecniche, sui sistemi trifasi e sulle macchine elettriche. Tutto ciò trova sviluppo in questa prima parte del primo volume della mia opera cui ne seguirà fra breve una seconda dedicata ai componenti d'impianto. Il secondo volume tratterà l'analisi dei sistemi di potenza e la tecnica di realizzazione dei sistemi di trasporto e trasmissione, mentre il terzo volume, già pubblicato, riguarda i sistemi di distribuzione a media e bassa tensione. Ringrazio vivamente tutti i miei Collaboratori, in particolare gli ingg. A. Augugliaro e L. Dusonchet per l'aiuto continuo e appassionato e l'Editore per tutto quanto ha fatto per migliorare questa pubblicazione. VINCENZO C ATALIOTTI

Palermo, settembre 1983

CAPITOLo I - CONSIDERAZIONI GENERALI SUGLI IMPIANTI ELETTRICI 1.1

Struttura schematica di un sistema elettrico di potenza

3

1.2

Norme

5

1.3

Definizioni del CEI riguardanti gli impianti elettrici

6

1.4

Simboli e schemi

11

CAPITOLO II - SISTEMI TRIFASI 2.1

Sistemi trifasi simmetrici ed equilibrati

25

2.2.

Potenze nei sistemi trifasi simmetrici ed equilibrati

31

2.3

Sistemi trifasi dissimmetrici e squilibrati 2.3.1 Generalità. 2.3.2 Operatori . 2.3.3 Determinazione dei componenti simmetrici 2.3.4 Sistema delle correnti. 2.3.5 Sistema delle tensioni. 2.3.6 Potenza media in tennini di componenti stmmetriei . 2.3.7 Potenza fluttuante 2.3.8 Analisi dei circuiti elettrici trifasi 2.3.9 Tensioni di riferimento 2.3.10 Equilibratura di un carico monofase 2.3. 11 Fattore di potenza con un sistema trifase dissimmetrico e squilibrato .

33

2.4

Misura dei componenti in sistemi dissimmetrici e squilibrati 2.4.1 Misure dei componenti diretto e inverso dì un sistema di tensioni di fase 2.4.2 Misura del componente omopolare di un sistema di tensioni di fase . 2.4.3 Misura dei componenti diretto e inverso in un sistema di correnti puro (a tre fili) .

33

34 36

38 39 42

44 45 50 51

55 56 56 57

58

XIV

2.4 .4 Misura del componente omopolare di un sistema di 2.4.5 2.5

con·enti Misura delle impedenze dirette, inverse e omopolari

Cenno sui sistemi trifasi periodici non sinusoidali .

59 59 60

CAPITOLO III - DIAGRAMMI DI CARICO

3.1

Generalità .

61

3.2

Parametri dei carichi

62

3.3

Cenni sui metodi di previsione del fabbisogno di energia elettrica 3.3.1 Modelli previsionali . 3.3.2 Previsione del fabbisogno annuo di energia 3. 3. 3 Previsione del fabbisogno di energia per intervalli di tempo inferiori all'anno

3.4

Previsione del fabbisogno di potenza

.

70 71 71 73 74

CAPITOLO IV - ELEMENTI DI ECONOMIA NEGLI IMPIANTI ELETTRICI

4.1

Premesse

75

4.2

Problemi di costo - Oneri patrimoniali - Costi di esercizio 4.2. 1 Costo del denaro 4.2.2 Ammortamento . 4.2.3 Spese di esercizio

75

4.3

Determinazione del costo del kWh

78

4.4

Problemi di scelta fra soluzioni tecnicamente equivalenti

79

4.5

Stato patrimonia1e e conto economico di un'Azienda

81

76 77 78

CAPITOLO V - MATERIALI IMPIEGATI IN ELETTROTECNICA

5.1

Conduttori . 5.1.1 Rame- (Cu) 5.1.2 Leghe di rame 5 .1.3 Alluminio - (Al) 5.1. 4 Leghe di alluminio 5.1.5 Conduttori di acciaio rivestiti di rame .

5.2

Materiali metallici per sostegni e per accessori di linee elettriche 5.2 .l Acciaio in profilati e barre . 5.2.2 Acciaio per funi di sostegno di conduttori e funi di guardia.

83 83 84 85 86 86 87 87 87

xv

5.3

5.4

5.2.3 Acciaio per conduttori di alluminio-acciaio 5. 2.4 Bronzo delta 5.2.5 Bronzo 88-10-2 per morsetteria pregiata 5.2.6 Zinco 5.2.7 Ghisa malleabile 5.2.8 Piombo

88 88 88 88 88 89

Material i isolanti - Definizioni 5. 3 .l Resistenza di isolamento 5.3 .2 Costante dielettrica relativa . 5.3.3 Angolo di perdita - Fattore di perdita 5.3 .4 Rigidità dielettrica 5.3.5 Qualità termiche 5 .3.6 Porcellana per isolatori 5.3.7 Vetro per isolatori 5.3.8 Gomma . 5.3.9 Siliconi 5.3.10 Gomme si/iconiche 5. 3.11 Polibutadiene (gomma buti fica) 5.3.12 Gomma etilenpropilenica (EPR) . 5 .3. 13 Policloroprene (neoprene) 5. 3 .14 Polivinilcloruro (PV C) 5.3 .15 Politene . 5.3 .16 Polipropilene 5. 3.17 Poliisobutilene 5.3.18 Resine epossidiche 5.3.19 Poliuretani 5.3.20 Classificazione delle mescole isolanti per cavi elettrici . 5.3.21 Classificazione delle mescole per guaine per cavi elettrici 5. 3.22 Classificazione dei materiali isolanti per trasformatori 5.3.23 Oli isolanti 5.3.24 Oli inibiti. 5.3.25 Askarel 5.3.26 Il clophen. 5.3.27 Gli apiro/i 5.3.28 Altri liquidi isolanti sintetici 5. 3.29 Vernici isolanti . 5.3.30 Carte e cartoni elettrotecnici 5.3.31 Legno 5.3.32 Mica e prodotti micati 5.3.33 Amianto . 5.3.34 Fibre di vetro . 5.3.35 Smalti isolanti per conduttori di avvolgimento 5.3.36 Miscele isolanti .

89 89 90 90 90 91 91 92 93 96 96 97 97 98 98 99 100 100 101 101

Material i magnetici

102 104 104 105 107 107 107 109 109 110 111 112 112 112 113 113 114 114

XVI

CAPITOLO

VI - I TRASFORMATORI NEI SISTEMI DI POTENZA

6.1

Trasformatori eli potenza 6.1.1 Generalità.

117 117

6.2

Dati caratteristici di un trasformatore

118

6.3

Classificazione dei trasformatori . 6.3 .l Classificazione dei materiali isolanti 6.3.2 Classificazione dei trasfonnatori in base alla costruzione, al seroizio, al raffreddamento

119 119 119

6.4

Schemi di collegamento

121

6.5

Circuito equivalente eli un trasformatore

123

6.6

Autotrasformatori trifasi

125

6. 7

Trasformatori a rre avvolgimenti 6. 7 .l Schema equivalente di un trasfonnatore a tre avvolgibili .

127

6.8

129

Impedenze alle sequenze dirette, inverse e omopolari dei trasformatori, autotrasformatori e trasformatori a tre avvolgimenti .

132

6.9

Fenomeni transitori nei trasformatori . 6. 9 .l Transitorio di inserzione di un trasfonnatore. 6. 9.2 Transitorio di corto circuito in un trasformatore 6.9.3 Trasformatore investito da un'onda di sovratensione

135 135 136 137

6.10

Rendimento dei trasformatori

138

6.11

Comportamento dei trasformatori di distribuzione m condizioni anormali

139

Funzionamento dei trasformatori trifasi nell'alimentazione di carichi squilibrati

140

6.13

Considerazioni sulla scelta delle connessioni .

143

6.14

Grandezze caratteristiche dei trasformatori . 6.14.1 Trasformatori trifasi di distribuzione 6.14.2 Trasfonnatori e autotrasfonnatori in A. T.

144 144 150

6.15

Sovraccarico dei trasformatori

150

6.16

Accessori di un trasformatore di distribuzione

152

6.17

Accessori dei trasformatori eli alta tensione

154

6.18

Messa in servizio di trasformatori in olio

154

6.19

Commutatore eli presa senza tensione .

155

6.12

xv n 6.20

Commutatori sottocarico

155

6.21

Protezione dei trasformatori

158

6.22

Funzionamento dei trasformatori in parallelo

159

6.23

Funzionamento irregolare o difettoso dei trasformatori .

164

6.24

Trasformatori di distribuzione monofasi

167

6.25

Scelta economica di un trasformatore

169

6.26

Trasformatori di tensione e di corrente

169

6.27

Valori della tensione e della corrente rispettivamente sui secondari dei TV e T A

173

6.28

Trasformatori di tensione capacitativi

176

6.29

Trasformatori di misura trifasi e misti .

177

6.30

Regole generali d'inserzione dei trasformatori di misura

178

6.31

Bobine di reattanza

180

CAPITOLo VII - LE MACCHINE SINCRONE NEI SISTEMI DI POTENZA 7.1

Generalità

183

7.2

Dati caratteristici di una macchina sincrona .

185

7.3

Equazioni generali della macchina sincrona

186

7.4

Equazioni della macchina sincrona a poli salienti in regime sinusoidale permanente Equazioni della macchina sincrona isotropa m reg1me sinusoidale permanente

7.5

188 190

Circuiti equivalenti della macchina smcrona m reg1me permanente sinusoidale Comportamento in transitorio delle macchine sincrone . 7.7 .l Comportamento di una macchina sincrona durante un corto circuito trifase netto 7. 7.2 Esame fisico del comportamento di una macchina sincrona in corto circuito 7. 7.3 Definizioni delle reattanz.e e delle resistenze delle macchine sincrone 7. 7. 4 Costanti di tempo delle macchine sincrone

201 204

7.8

Potenze erogate dagli alternatori in rete 7 .8.1 Potenza erogata da un alternatore in regime statico 7.8.2 Potenza erogata da un alternatore in transitorio

206 206 209

7.9

Messa in parallelo degli alternatori

212

7.10

Dati caratteristici di alternatori per centrali di potenza

213

7.6 7.7

191 193 193 199

XVIII

CAPITOLO VIII - I MOTORI ELETTRICI NELLE APPLICAZIONI INDUSTRIALI 8.1

Generali tà .

219

8.2

Motori asincroni trifasi

219

8.3

Potenze, coppie motrici e coppie resistenti

225

8.4

La scelta del motore

228

8.5

Compor tamento dei motori asincroni trifasi m b.t. m condizio ni di esercizio anormali . Forme costrutti ve e potenze normali dei motori asincroni trifasi in bassa tensione

236

8. 7

Potenze dei motori asincroni

23 7

8.8

Rifasamento dei motori asincron i.

238

8.9

Installazione dei motori

238

8.10

Rumorosità dei motori asincroni Dati caratteri stici delle macchine asincrone

238

8.6

8.11

23 5

239

CAPITOLO IX - LE SORGENTI AUTONOME DI ENERGIA 9. 1

Generali tà .

241

9.2

Gruppi elettrogeni

241

9.3

Accumulatori

249

9.4

Gruppi di continui tà 9. 4 .l Gruppi di continuità statici. 9.4.2 Gruppi di continuità rotanti

255 256 261

BIBLIOGRAFIA

267

INDICE ANALITICO .

269

CAPI TOLO

I

TTRICI CONSIDERAZIONI GENERALI SUGLI IMPIANTI ELE

1 .l

Stru ttura schematica di un siste ma elett rico di pote nza

re più eleva to L'eco nomi a conte mpor anea è carat teriz zata da un semp dei cons umi energ etici tasso di inter vent o dell'e nerg ia elett rica a cope rtura ment e più eleva ta mondiali. Ciò in quan to essa possiede, in misu ra larga convertibilità, contirispe tto a tutte le altre fonti energ etich e, i requ isiti di nuità, trasportabilità e flessibilità. energ ia elett rica La realizzazione dei prim i sistemi di distr ibuzi one di prim i gene rator i eletfu resa possibile intor no al18 80 dalla costr uzion e dei o utilizzati per alitromagnetici a corre nte cont inua (dinamo) che furon o della corre nte alterment are impi anti di illuminazione. Il passaggio all'us static o nel 1885 ·(USA nata fu deter mina to dalla scop erta del trasf orma tore e Ungh eria) . e (G. Ferra ris e Nel 1888 veniv a scop erto il moto re asincrono trifas Fran cofo rte il prim o Tesla); nel 1891 veniv a realizzato alla esposizione di impi anto in corre nte alter nata trifase. in tutto il mon do Da quel mom ento con ritmi crescenti si sono diffusi zzati ) i siste mi in cor(in mod o più rapid o ovvi amen te nei Paes i indus triali (es. Euro pa) o 60 rente alternata trifase alla frequ enza unificata di 50 Hz Hz (es. USA). trova parti colar i Infat ti, rispe tto alla corre nte conti nua, che tutta via , la corre nte alter nata applicazioni indu strial i (ad es. in trazi one elett rica) la tensi one con una trifase prese nta l'inn egab ile preg io di pote r varia re il trasf orma tore, dà la macchina static a a rend imen to molt o eleva to qual e costi tuisc ono i moto ri possibilità di utilizzare i moto ri asincroni trifas i che

4

elettrici per eccellenza per la loro qua,lità e robustezza e rende disponibili per la distribuzione in b.t. due tensioni (concatenata e di fase) particolarmente comode nell'esercizio. Il sistema di distribuzione trifase è preferibile poi a quello monofase per un risparmio in peso del conduttore. (Per i confronti tecnici fra corrente alternata e corrente continua vedi il Cap. XIV del Vol. II; mentre per il confronto fra distribuzioni monofasi e trifasi vedi il Cap. II del Vol. III). Il sistema che consente di trasportare e distribuire l'energia elettrica prodotta da sorgenti di grande potenza (migliaia di megawatt) ai centri di consumo grandi e piccoli, che si trovano ubicati in territori di grande estensione (migliaia di Km2 ), si definisce sistema elettrico di potenza. Quest'ultimo è costituito da un complesso di sistemi elettrici aventi una determinata tensione nominale. In fìg. 1.1 è rappresentata schematicamente la struttura di un sistema elettrico di potenza. Si possono distinguere:

GROSSE UTENZE

MEDIE UTENZE

PICCOLE UTENZE

Fig. 1.1 -

Struttura schematica di un sistema di potenza.

5 - le centrali nelle quali v1ene prodo tta l'energia elettrica a mezzo di generatori trifasi; - le stazioni di trasformazione annesse alle centrali in cui la tensione di produzione (6 .-;- 20 kV) viene elevata al più opport uno valore per il trasporto (220 kV, 380 kV o tensioni superiori); - le reti di trasporto da alta tensione (A.T. ad es. 220-380 kV) che connettono fra loro i nodi più impor tanti della rete e le centra li di maggiore potenza; - le stazioni primarie che trasformano l'energia dalla tensione di trasporto a quella di trasmissione (ad es.: 130 kV); - le reti di trasmissione ad alta tensione (A.T. ad es. 130 kV) che connettono fra loro, con maglie più fitte della rete di traspo rto, i nodi della rete ad A.T. a cui afferiscono anche le centrali meno potent i e le utenze in A.T. (circa il 25-30 % del consumo totale); - le stazioni secondarie inserite nei nodi delle reti di trasmissione che hanno funzione di smistamento e trasformazione in media tensione (M.T., 20-10 kV); - le reti di distribuzione a M.T. (20-10 kV) che alimentano le utenze in 'M.T. (circa il 30% del totale) e le cabine di trasformazione M.T./ b.t.; - le cabine di trasformazione M.T./ b.t. che alimentano le reti di b.t. a 380/2 20 kV; - le reti di distribuzione a b.t. che alimentano le restanti parti degli utenti. I sistemi di potenza tendono a divenire sempre più vasti collegandosi l'uno a l'altro a mezzo di linee di interconnessione a tensione molto elevata attraverso le quali si hanno scambi di energia. Per traspo rti a lunga distanza e sottomarini in cavo vengono talvolta impiegate linee ad A.T. in corrente continua con stazioni di conversione alle due estremità (v. Vol. II) .

1.2

Norme

Nella trattazione che segue vengono richiamate Norme compilate da Comitati tecnici nazio~ali e internazionali che fissano i requisiti degli impianti elettri d e dei loro componenti e i criteri di veri6.ca degli stessi. In particolare si farà riferimento alle Norme compilate dal CEI (Comitato Elettrotecnico Italiano) e inoltre dall'UNEL (Unificazione Elettrotecnica),

6

dall'IEC (lnternational Electrotechnical Commission) e dal CENELEC (European Committee for Electrotechnical Standardizzation). Oggi si tende ad una armonizzazione delle Norme a livello europeo e mondiale. Le Norme emanate dal CEI hanno il riconoscimento «de jure » di conformità alla regola d }arte in forza della legge n. 186 dell'l-3-1968. In tale legge è richiesto che gli impianti e i loro componenti siano rispondenti alla regola d'arte anche se non viene ritenuto obbligatoria la conformità alle Norme CEI. Se si seguono altre Norme, però, l'onere della prova della regola d'arte ricade sul progettista o sul costruttore. Le Norme CEI vengono redatte da Comitati di esperti e sono classificate in: - Norme di base che riguardano la definizione del linguaggio e del simbolismo elettrotecnico; - Norme sugli impianti che rispondono ad esigenze di natura tecnica e sociale per garantire la sicurezza degli impianti; Norme sui materiali e sistemi che rispondono ad esigenze di sicurezza e chiarezza di rapporti fra committente e costruttore. Il contrassegno CEI è una forma di autocertificazione del costruttore di rispondenza alle Norme. La rispondenza di apparecchiature e componenti alla Normativa tecnica, in Italia, viene certificata soltanto dall'IMQ (Istituto Italiano del Marchio di Qualità), dall'JEN (Istituto Elettrotecnico Nazionale G. Ferraris), dal CESI (Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano) . In particolare l'IMQ concede il marchio ad apparecchiature e componenti destinati all'uso domestico e al terziario. Per un accordo di reciprocità vengono accettati in Italia anche i marchi esteri: VDE (tedesco), UTE (francese), etc ... I marchi vengono concessi e mantenuti se sono soddisfatte le seguenti condizioni: garanzia sulle strutture di controllo qualità del costruttore, approvazione del prototipo e controlli in fabbrica o su campioni prelevati dal mercato effettuati dall'Istituto verificatore.

1.3

Definizioni del CEI riguardanti gli impianti elettrid ( * )

Sistema elettrico - Si intende per sistema elettrico la parte di un impianto elettrico 2 costituita dal complesso delle macchine, delle apparec-

(*) Vedi Norme CEI - 11.1. Impianti elettrici - Norme generali.

7 chiature, delle sbarre e delle linee, avente una determinata tensione nominale. Tensione nominale di un sistema - È il valore della tensione con il quale il sistema è denominato ed al quale sono riferite le sue caratteristiche secondo le Norme sulle tensioni normali. Per i sistemi trifasi si considera come tale la tensione concatenata. Tensione nominale verso terra - Si intendono tensioni nominali verso terra: - ne1 sistemi trifasi con neutro isolato, o comunque non efficacemente a terra, la tensione nominale; - nei sistemi trifasi con neutro efficacemente a terra, la tensione stellata corrispondente alla tensione nominale; - nei sistemi monofasi, o a corrente continua, senza punto di mezzo a terra, la tensione nominale; - nei sistemi monofasi, o a corrente continua, col punto di mezzo a terra, metà della tensione nominale. Classificazione dei sistemi elettrici - In relazione alla loro tensione nominale i sistemi elettrici si dividono in: - sistemi di categoria ZERO, quelli a tensione nominale minore o uguale a 50 V se a corrente alternata, o a 75 V se a corrente continua. Un sistema di cat. O si denomina OS quan.do la sua alimentazione è fornita da una sorgente autonoma o da un trasformatore di sicurezza o da altra sorgente con analoghe caratteristiche di sicurezza e quando è separato dagli altri sistemi elettrici con un grado di isolamento non inferiore a quello previsto tra primario e secondario dei trasformatori di sicurezza e non ha alcun punto collegato a terra; - sistemi di I categoria, quelli a tensione nominale da oltre 50 V fino a 1.000 V compreso se a corrente alternata; da oltre 75 V fino a 1.500 V compreso se a corrente continua; - sistemi di II categoria, quelli a tensione nominale oltre 1.000 V se a corrente alternata, o oltre 1.500 V se a corrente continua, fino a 30.000 V compreso; - sistemi di III categoria, quelli a tensione nominale maggiore di 30.000 V. Quando la tensione nominale verso terra sia superiore alla tensione nominale tra le fasi, agli effetti della classificazione dei sistemi si deve considerare la tensione nominale verso la terra; i sistemi di I categoria collegati direttamente a terra devono presentare una tensione verso t erra non superiore a 600 V (c.a.) e 900 V (c.c.).

8

In generale i sistemi di categoria ZERO sono indicati come sistemi a bassissima tensione, quelli di categoria I sono indicati come sistemi a bassa tensione (b.t.); quelli di categoria II a media tensione (M.T.) e quelli di categoria III ad alta tensione (A.T.); oggi si tende ad indicare come sistemi ad altissima tensione quelli a tensione uguale o superiore a 380 kV (A.A.T.). l m pianto elettrico - Un impianto elettrico è un complesso organico di costruzioni e di installazioni destinato ad almeno una delle seguenti funzioni: produzione, conversione, trasformazione, regolazione, smistamento, trasporto, distribuzione e utilizzazione dell'energia elettrica. Impianto all'interno o all'esterno - Un impianto elettrico o parte di esso si deve considerare all'interno se è contenuto in locali che lo riparino dagli agenti atmosferici; si deve considerare all'esterno negli altri casi. Officina elettrica - Un'officina elettrica è un complesso, contenuto in uno o più locali o aree all'aperto racchiusi da una unica recinzione, di installazioni destinate essenzialmente ad almeno una delle seguenti funzioni: produzione, conversione, trasformazione, regolazione e smistamento dell'energia elettrica. Le officine elettriche eventualmente incorporate nei fabbricati civili e negli stabilimenti industriali, si intendono limitate ai soli locali o aree all'aperto comprendenti gli impianti elettrici ad esse relativi. Le officine elettriche si suddividono in: centrali: officine elettriche destinate alla produzione di energia elettrica; stazioni: tutte le officine elettriche connesse a sistemi di cui uno almeno di III categoria e destinate ad almeno una delle seguenti funzioni: trasformazione, conversione, regolazione, smistamento dell'energia elettrica; - cabine: officine elettriche connesse a sistemi solo di I o di II categoria e destinate ad almeno una delle seguenti funzioni: trasformazione, conversione, regolazione, smistamento dell'energia elettrica. Le installazioni su palo di trasformatori e condensatori non vanno considerate come cabine, ma come parte delle linee aeree. Impianto utilizzatore - Impianto costituito dai circuiti di alimentazione degli apparecchi utilizzatori e delle prese a spina comprese le relative apparecchiature di manovra, sezionamento, interruzione, protezione, etc. che non facciano parte degli impianti di produzione, trasmissione, distribuzione. Si considera come origine dell'impianto utilizzatore il punto di consegna dell'energia elettrica all'impianto stesso, in genere da una rete di distribuzione pubblica. Ambienti ordinari e speciali - Si considerano « ordinari » gli am-

9 bienti ove non esiston o condizioni speciali che impon gano partico lari preicauzioni di installazione o limitaz ioni nella scelta e nell'im piego di macch nari, appare cchiatu re e condu tture. Si consid erano « speciali » gli ambie nti ove, invece, tali condiz ioni sussistono. Essi si suddiv idono in: a) ambie nti umidi: ambie nti in cui sulle pareti, sul soffitto o sul i pavim ento si presen tano costan temen te o period icamen te manife stazion saline, muffe o macchie di umido ; b) ambienti bagnati: ambie nti nei quali si proced e usualm ente a sparo gimen ti di acqua o nei quali sono presen ti con contin uità vapore acqueo esalazioni umide in misura tale da dar luogo a formaz ione di gocce sulle pareti, sul soffitto o sul pavim ento; c) ambie nti freddi: ambie nti nei quali può manife starsi e mante nersi se una tempe ratura ambie nte inferio re a - 200C se all'este rno ed a OQC all'inte rno; d) ambie nti a temperatura elevata: ambie nti nei quali può manifestarsi e mante nersi una tempe ratura ambie nte superi ore a 40°C; e) ambie nti con possibilità di depositi salini; f) ambie nti polverosi: ambie nti nei quali sono usualmente presen ti in sospensione polver i che per la loro natura non costitu iscono perico lo di incendio o di esplosione; g) ambie nti con emanazioni corrosive: ambie nti nei quali sono presenti vapori o gas corros ivi; h) ambie nti con pericolo d'incendio: ambie nti nei quali si ha presenza di materi e o pulviscoli infiammabili; i) ambie nti con periodo di esplosione: ambie nti nei quali si ha presenza di materi ali esplosivi; l) ambie nti con pericolo di esplosione o di incendio: ambie nti nei a quali si ha presen za di pulviscoli, gas o vapori che posson o formar e miscel esplosiva con l'aria. Apparecchi fissi, mobili, portatili, trasportabili - Un appare cchio mobile è un apparecchio che richiede di essere sposta to durant e il suo uso ordina rio (ad esemp io lucida trice per pavim enti). Un apparecchio portati le è un apparecchio mobile che durant e il suo uso ordina rio deve essere, anche se non contin uativa mente , sosten uto dalla persona che lo usa (ad esempio: asciugacapelli, ferro da stiro, trapan o elettrico portati le). Un apparecchio traspo rtabile è un apparecchio che, pur potend o essere to facilmente sposta to da un lungo all'altr o, non richied e di essere sposta durant e il suo uso ordina rio (ad esemp io stufa elettric a).

lO Tutti gli altri apparecchi sono da considerarsi fissi. A maggior chiarimento di quanto indicato dalle norme sotto la dizione « officina elettrica », si ritiene opportuno aggiungere quanto segue: l) centrali elettriche: in generale le centrali si dividono in centrali termoelettriche ed idroelettriche:

a) centrali termoelettriche: si intendono quegli impianti nei quali l'energia termica prodotta in modo tradizionale o da reattori nucleari (centrali nucleari), o ricavata da forze endogene della terra (centrali geotermoelettriche), viene utilizzata da turbine a vapore, a gas, ecc. accoppiate con generatori trifasi di energia elettrica. Per centrali di modesta entità o per particolari impianti si possono avere anche gruppi elettrogeni con motori a combustione interna; b) centrali idroelettriche: si intendono quegli impianti nei quali l'energia ottenuta da opportuni impianti idraulici, attraverso opere di raccolta, presa e convogliamento viene utilizzata in turbine idrauliche accoppiate con generatori trifasi di energia elettrica. Si hanno anche centrali non convenzionali come le centrali eoliche che impiegano l'energia dei venti per azionare aeromotori; centrali talassoelettriche, che utilizzano l'energia associata ai cambiamenti di livello delle maree; centrali elioelettriche, in cui si utilizza l'energia raggiante del sole o a mezzo di celle fotovoltaiche o a mezzo di sistemi a specchi con caldaie solari, ecc.; 2) stazioni elettriche primarie di trasformazione, di sezionamento, di smistamento: si indicano con tali dizioni gli impianti destinati alla trasformazione di energia da alta in alta tensione, o da alta in media tensione, o da media in media tensione, oppure al sezionamento od allo smistamento di linee a media ed alta tensione. Tali stazioni possono essere destinate ad uno o più dei detti scopi; 3) cabine elettriche di trasformazione: sono quegli impianti costituiti principalmente da trasformatori e relative apparecchiature, utilizzati per trasformare la tensione in genere da media in bassa per alimentazione di impianti. Sembra utile inoltre definire: l) linea elettrica aerea: si intende l'impianto elettrico (normalmente all'aperto) costituito da sostegni, isolatori e conduttori elettrici, nudi o isola ti (cavi sospesi); 2) linea elettrica sotterranea: si intende l'impianto elettrico costituito da conduttori isolati (cavi) interrati direttamente, o in cunicoli, tubi, ecc., sotto terra;

11

3) rete elettrica: s1 intende un complesso di linee elettriche tra loro collega te.

1.4

Simboli e schemi ( * )

Per rappresentare graficamente un impianto elettrico nel suo complesso e riei dettagli sono stati adottati dei segni grafici o simboli ciascuno in corrispondenza di un determinato tipo di installazione , macchina, apparecchio (fig. 1.2). Segno grafico

Denominazione

in progetto Centrale idroelettrica

in servizio

in progetto Centrale c.s. ad accumulazione mediante pompaggio

in servizio

in progetto Centrale termoelettrica in servtzto

in progetto Centrale nucleotermoelettrica in servtz1o

(*) Vedi Norme CEI · Segni grafici.

12 Segno grafico

Denominazione

in progetto Stazioni o cabine

o

•

m servizio

Posto di trasformazione da palo, in servizio

in progetto Stazione o cabina di sezionamento in servizio

in progetto Stazione o cabina di trasformazione m servizio

Generatore a corrente alternata Simbolo generale

Motore ad induzione (asincrono) con rotore in corto circuito (a gabbia di scoiattolo) Simbolo generale

o

8

13 Segno grafico

Denominazione

Il

Trasformatore a due avvolgimenti separati

l l l -.JI\NV'-

~

------

Trasformatore a tre avvolgimenti separati

Autotrasformatore

Rdè a massima corrente

Rdè a minima tensione

Relè a mancanza di tensione

~ m progetto Linea elettrica, simbolo generale

(

m servizio

Terminale di cavo

indicazione della posizione dei vari organi deve essere fatta nelle condizioni di mancanza di tensione di alimentazione; - i contatti si muovono sempre da destra verso sinistra; quindi un contatto chiuso che si dovrà aprire in presenza di tensione sarà segnato a sinistra e a contatto della riga verticale del circuito (fig. 1.11) mentre uno aperto che si deve chiudere sarà segnato a destra e staccato dalla riga verticale;

A

v

D

B

1T

•

E

F

lr-·l":~-1

TI 1T w l_

Fig. 1.11 -

Schema funzionale del comando di un teleru ttore mediante pulsanti.

- la rappresentazione successiva dei circuiti deve essere fatta seguendo la successione logica dell'ordine delle manovre. Ad esempio in ordine: circuiti di comando principale - circuiti dei relé ausiliari - circuiti di comando diretto delle macchine - circuiti degli apparecchi di protezione. In ognuna di queste sezioni è bene che i circuiti di comando positivo (ad es. quelli di chiusur~) precedano quelli di comando negativo (ad es. quelli di apertura); - uno schema funzionale infine è sempre opportuno che sia corredato di indicazioni scritte al disopra di ciascun circuito e di un elenco di tutte le sigle riportate nello schema con il loro significato. I molti pregi dello schema funzionale derivano essenziàlmente dal fatto che tutto il circuito che esplica una determmata funzione, e solo questo, viene rappresentato in una riga verticale.

23 Ne consegue: assenza di incroci e chiarezza di ogni singolo circuìto; evidenza di ogni situazione di incompatibilità; facilità neIl'apportare modifiche; semplificazione nelle operazioni di controllo e ricerca guasti. Tutti questi elementi fanno dello schema funzionale un valido strumento in sede di progettazione, montaggio e manutenzione. A titolo di esempio si riporta (fìg. 11) lo schema ordinario e funzionale di un comando di un teleruttore a mezzo di pulsante, rinviando per una trattazione più diffusa di tale argomento al volume: G. DEL MoNACO, Schemi elettrici funzionali, Delfino ed., Milano, dal quale è ripreso l'esempio riportato.

CAPITOLO

II

SISTEMI TRIFASI

2 .l

Sistemi trifasi simmetrici ed equilibrati ( *)

La maggior parte dell'energia elettrica viene prodotta da alternatori trifasi che nella schematizzazione usuale sono rappresentabili a mezzo di tre avvolgimenti uguali, disposti nello spazio a 120° l'uno dall'altro, nei quali vengono indotte da un eccitatore bipolare, in uniforme rotazione, tre tensioni sinusoidali identiche ma sfasate di 120° l'una rispetto all'altra. Nel caso in cui la macchina abbia « p » coppie polari, la situazione, dal punto di vista elettrico, non cambia purché gli avvolgimenti indotti siano disposti nello spazio a 120°/p l'uno dall'altro. Per il verso di rotazione indicato sulla ruota polare (Hg. 2 .l), i tre fasori rappresentativi del sistema di tensioni indotte si succederanno nell'ordine di fig. 2.2. a. Per un verso eli rotazione opposto si succederanno come in fig. 2.2. b. Assunto un ordine degli avvolgimenti nello spazio, per definire la successione secondo la quale le tre tensioni sono generate deve specificarsi la loro sequenza. Se le tensioni si succedono come in fig. 2.2. a si dirà che si è in presenza di una sequenza positiva o diretta ; se si succedono come in fig. 2.2. b si avrà una sequenza negativa od inversa. Il sistema delle tensioni costituito da tre fasori uguali ed equisfasati, e quindi con fasore risultante nullo, si dirà simmetrico diretto o znverso, a seconda della successione dei tre fa sori.

(*) Per la trattazione generale dei sistemi polifasi si rinvia ai corsi di Elettrotecnica.

26

N el numerare od assegnare lettere ai conduttori del sistema trifase convenzionalmente si adottano successioni corrispondenti a terne cicliche dirette. Se il sistema delle tensioni cosl generate si chiude su un sistema di tre impedenze uguali Z eJ

lo sfasamento tra la corrente I e la tensione concatenata Vab, prendendo come riferimento per gli angoli la direzione di Ed, supposta sull'asse reale, la corrente I in modulo e fase può esprimersi come

I = I · e1 (cp+JOol Dalla [ 2.63] si ottiene:

I'= l

1-a.2

l I= --== I

eJ 1 ~+6()o>

...j3

3

e sostituendo quest'ultima nella seconda delle [2.68] s1 ncava: Ed = - -

l

-

Za I

eJ!H90o)

3 e in definitiva: 3 Ed I

---

[2.69]

Da quest'ultima espressione si nota che l'impedenza Za può essere realizzata con un'induttanza pura - e quindi Zb, per la [2.67]. con una capacità pura uguale in modulo - , solo se il carico è puramente resistivo o perfettamente rifasato ( che esso forma col vettore della tensione, nel senso secondo il quale l'angolo diminuisce in valore assoluto, la potenza assume il valore massimo. L'angolo 0 si ottiene quindi dalla condizione:

d p (@) d(!)

d d@

)

- -- = - - L

3

3

che da: - cos 0

L 11:, l

Ek!kcos(cpk- 0) =O

k, l

Ek lk

sin (/)k

+ sin q> L k, l

Ek

Ik cos l({)k = O

[2.70]

56 da cm: tg

0

=

l: Ek I k sen cp~;

Q

l: Ek l k coscpk

p

[2.7 1]

la quale costituisce un'ulteriore definizione per il fattore di potenza.

Misur a dei compo nenti in sistem i trifasi dissimetrici e squilib rati

2 .4

I componenti diretto , inverso e omopolare di tensioni, correnti e impedenze, determ inati analiticamente nei paragrafi che precedono, hanno significato fisico e sono misurabili seguendo le procedure che verranno schematicamente indicate nei punti che seguono.

2 .4.l

Misur a dei compo nenti diretto e invers o di un sistema di tensioni

di fase Per determinare i componenti diretto e inverso di un sistema di tensioni di fase può utilizzarsi lo schema riporta to in fig. 2.18. Si ha infatti: -

Ed

= -31

-

(Ea

-

+ a. Eb +

-

a.2 Ec) l

= -3l [(Ea -

-

Ec)

+

--

a. (Eb - Ec)]

[2 .72]

[Vac - a. V be]

= -

3

=

in quanto : a 2 = - (l +a.)

Analogamente -

l

-

E,= - [Vo.c 3

-

+ a.2 V be]

[2.73]

Risulta s1

ha:

-a. l +a.

e pertanto

[ 2.74]

57 Se invece: l l

+ a.2

- a.

Si ha quindi:

[ 2.75]

a b

c Ve.c (

v. .

Fig. 2.18 - Schema per la misura dei componenti diretto e inverso di un sistema di tensioni di fase.

2 A .2

~

l l

Zb

l

l l

Zc

l

J

Misura del componente omopolare di un sistema di tensioni di fase

Per determin are il compon ente omopola re di un sistema di tensioni di fase può u tilizzarsi Io schema di fig . 2 .19. Per definizione la tensione misurata fra il centro astratto (o il centro stella del generato re) e il centro stella dei carichi, vale:

[2 .76]

l

Za

!

b

l

Zb

l

c

l

'h:.

a

---

r-'-

,-

l

z

z

-,

....,

l

l

,

....

Vx

Fig. 2.19 - Schema per la misura del componen te omopolare di un sistema di tensioni di fase.

58 2.4.3

Misura dei componenti diretto e inverso di un sistema di torrenti .·p uro ( a tre filj )

Per determinare i componenti diretto e inverso in un sistema di correnti puro può utilizzarsi lo schema di fig. 2.20 ricordando che nel caso in esame il componente omopolare del sistema di correnti è nullo. Si ha pertanto

Io = O e la = Id+ It

lb = a.2Id + a. f1 a

T._

b

,b_ r.

c

r.Za :+-----v.----~

Fig. 2.20 - Schema per la misura dei componenti diretto e inverso di un sistema di correnti puro.

V x = (Za

e quindi

Ia -

Zb I b)

[2.77]

I~>- Zb (a.2 fct + a. It)J = 2 2 (Za - a. Zb) + I1 (ct fd + a Id J

Vx= [Za (1d + = [Id se

z.. =

a.2 zb

Sl

ha:

Id=

Sl

ha:

I1

v'X a.2)

zb (a. -

[2.78]

[2.79]

se

Za =a Zb

Vx zb.(a.2

-

[2.80] a.)

59 Misura del componente omopolare di un sistema di correnti

2.4 .4

nti Per determinare il componente omopolare di un sistema di corre rappo rto può utilizzarsi lo schema di fig. 2.21 in cui a mezzo di T A a unitario si sommano le correnti di fase. Ne risulta: [2.81 ]

-

a

r.. ---- ---- { ............t-- --- --- --=-

Fig. 2.21 - Schema per la misura del componente omopolare di un sistema di correnti.

2.4 .5

Misura delle impedenze dirette, inverse e omopolari

Zd

si misura applicando a un ciclica sistema statico di impedenze (trasformatori e linee aventi simmetria nti rio totale) un sistema dirett o di tensioni vd e misurando le . corre sultanti fd. Dal rappo rto fra Yct e Ict si ottien e Zd. un Per i sistemi rotanti (sinèroni) è preferibile iniett are nell'armatura one sistema dirett o di correnti e, porta ndo la macchina con senso di rotazi fase; dirett o al sincronismo, misurare la tensione che si instau ra su una erente rapportandola alla corrente relativa si ottien e la Zd cercata. È indiff a) L'impedenza alla sequenza dirett a

se la macchina è eccitata o no. b) L 'impedenza alla sequenz~ inversa Z1 è uguale a quella della sequenza dirett a per i sistemi statici. giPer i sistemi rotan ti (sincroni) è preferibile iniettare negli avvol la menti un sistema di correnti inverse, avendo porta to al sincronismo rotore macchina con senso di rotazione dirett o, lasciando i circuiti di chiusi e non eccitati.

60 fase e la Il rappo rto fra la tensione che si instaura ai capi di una relativa corre nte vale rabile quando esiste c) L'impedenza alla sequenza omopolare è misu la possibilità di chiusura per la corrente omopolare. le linee) Per le singole determinazioni vedi: nel Vol. II il Cap. I (per 7.7 (macchine e in questo volume il par. 6.8 (trasformatori) e il par. sincrone).

zj.

2. 5

Cenno sui sistemi trifasi periodici non sinusoidali

periodiche Si supponga di avere tre forme d'ond a ea (t), eb (t), ec (t) ltra. Svilupnon sinusoidali, uguali tra loro e sfasate di 2 1t/3 l'una dall'a pandole in serie di Four ier, si ottiene: 00

+ Yk]

ea (t)

= V2 L k=l

E sin [k wt

eb (t)

=v 2 L

E sin [k (wt - 21t/3 )

=v 2 L

E sin {k (wt

00

+

Yk]

[2.82 ]

k=l 00

ec (t)

+ 21t/3 ) + Yk]

k=l

- 2 1t/3, Per k = l (l a armonica) le tre tensioni sono sfasate di O, + 2 7t/ 3 e danno luogo a una terna diretta. 2 rt/3 e Per k = 2 (2a armonica) le tre tensioni sono sfasate di O, - 2 7t/3 e danno luogo a una terna inversa. O e danno Per k = 3 (3a armonica) le tre tensioni sono sfasate di O, O, luogo a una terna ornopolare. Generalizzando si può quind i affermare che per sinusoidali: - le armoniche l, 4, 7 ... (3 k + l) dann o luogo a le armoniche 2, 5, 8 ... (3 k + 2) danno luogo a - le armoniche 3, 6 ,9 ... (3 k) danno luogo a terne

terne periodiche non terne diret te; terne inverse; omopolari.

CAPITO LO

III

DIAGR AMMI DI CARICO

3.l

Generalità

Se, per data utilizzazione si registra l'andam ento della potenza istantanea assorbita in un tempo definit o (l h, 24 h, l mese, l anno) ottenia mo la curva o diagram ma di carico relativo al periodo in esame. Il valore istantaneo del carico molto rarame nte è costant e ma in generale varia con continu ità in dipendenza delle caratteristiche degli apparecchi utilizzatori e del loro impiego. Il diagramma di fig. 3.1., che mostra una tipica curva di carico giornaliera, ha un'ordi nata massima Px che prende il nome di carico massim o o di punta.

Ai fini di una buona utilizzazione dell'im pianto di alimentazione di un dato utente è necessario che il diagramma di carico di questo sia il più possibile uniforme.

Fig. 3 .1 -

Diagram ma di canco.

62 Infatti, ad esempio, a pari energia assorbita, con il diagramm a di fig. 3 .2. a, l 'impianto di alimentaz ione deve essere dimension ato in relazione alla potenza P1, mentre con il diagramm a di fig. 3 .2 b deve prendersi in considera zione una potenza P2 = 2PJ.

3.2

Parametri dei carichi

Il parametro che permette di valutare la regolarità nel tempo del diagramma di carico è il fattore di utilizzazio ne del carico massimo, Fu. Questo si definisce come il rapporto fra il valore medio del carico Pm e il carico massimo Px nell'interv allo di tempo preso in esame (anno, mese, ... ). F u-~ -

[3.1 a]

Px

Per l'esempio di fig. 3.2 a st ha Fu

l, per quello di fig. 3.2 b

F,, = 0,5.

p

p

--

h

h a)

b)

Fig . .3.2 -Diagram mi di carico con uguale energia e diversa utilizzazione della potenza.

Risulta quindi evidente che un diagramm a è tanto più regolare quanto più Fu tende a l. L'inverso del fattore di canco

st chiama fattore di punta.

63 Dalla ( 3 .l) si può agevolmente ricavare la durata di utilizzazione del carico massimo hx definita come rapporto tra l'energia utilizzata nel periodo in esame e il corrispondente carico massimo.

Pm • h hx = - - -

(3.2]

P;'