Sistema di alimentazione elettrica - Electric power system

Una turbina a vapore utilizzata per fornire energia elettrica

Un sistema di alimentazione elettrica è una rete di componenti elettrici utilizzati per fornire, trasferire e utilizzare energia elettrica. Un esempio di un sistema di alimentazione è la rete elettrica che fornisce energia alle case e alle industrie all'interno di un'area estesa. La rete elettrica può essere ampiamente suddivisa in generatori che forniscono l'energia, il sistema di trasmissione che trasporta l'energia dai centri di generazione ai centri di carico e il sistema di distribuzione che alimenta le case e le industrie vicine.

Sistemi di alimentazione più piccoli si trovano anche nell'industria, negli ospedali, negli edifici commerciali e nelle abitazioni. Un diagramma unifilare aiuta a rappresentare l'intero sistema. La maggior parte di questi sistemi si basa sull'alimentazione CA trifase , lo standard per la trasmissione e la distribuzione di energia su larga scala nel mondo moderno. Sistemi di alimentazione specializzati che non sempre si basano sull'alimentazione CA trifase si trovano in aerei, sistemi ferroviari elettrici, transatlantici, sottomarini e automobili.

Storia

Uno schizzo della stazione di Pearl Street

Nel 1881, due elettricisti costruirono il primo impianto elettrico al mondo a Godalming in Inghilterra. Era alimentato da due ruote idrauliche e produceva una corrente alternata che a sua volta forniva sette lampade ad arco Siemens a 250 volt e 34 lampade ad incandescenza a 40 volt. Tuttavia, la fornitura delle lampade era intermittente e nel 1882 Thomas Edison e la sua compagnia, la Edison Electric Light Company, svilupparono la prima centrale elettrica a vapore in Pearl Street a New York City. La Pearl Street Station inizialmente alimentava circa 3.000 lampade per 59 clienti. La centrale generava corrente continua e funzionava con un'unica tensione. La potenza in corrente continua non poteva essere trasformata facilmente o in modo efficiente alle tensioni più elevate necessarie per ridurre al minimo la perdita di potenza durante la trasmissione a lunga distanza, quindi la distanza economica massima tra i generatori e il carico era limitata a circa mezzo miglio (800 m).

Nello stesso anno a Londra, Lucien Gaulard e John Dixon Gibbs hanno dimostrato il "generatore secondario", il primo trasformatore adatto per l'uso in un vero sistema di alimentazione. Il valore pratico del trasformatore di Gaulard e Gibbs è stato dimostrato nel 1884 a Torino, dove il trasformatore è stato utilizzato per illuminare quaranta chilometri (25 miglia) di ferrovia da un singolo generatore di corrente alternata. Nonostante il successo del sistema, la coppia ha commesso alcuni errori fondamentali. Forse la cosa più grave è stata collegare in serie i primari dei trasformatori in modo che le lampade attive influiscano sulla luminosità di altre lampade più a valle.

Nel 1885, Ottó Titusz Bláthy in collaborazione con Károly Zipernowsky e Miksa Déri perfezionò il generatore secondario di Gaulard e Gibbs, dotandolo di un nucleo di ferro chiuso e del suo nome attuale: il " trasformatore ". I tre ingegneri hanno presentato un sistema di alimentazione all'Esposizione generale nazionale di Budapest che implementava il sistema di distribuzione CA in parallelo proposto da uno scienziato britannico in cui diversi trasformatori di potenza hanno i loro avvolgimenti primari alimentati in parallelo da una linea di distribuzione ad alta tensione. Il sistema ha acceso più di 1000 lampade a filamento di carbonio e ha funzionato con successo da maggio a novembre di quell'anno.

Sempre nel 1885 George Westinghouse , un imprenditore americano, ottenne i diritti di brevetto per il trasformatore Gaulard-Gibbs e ne importò un certo numero insieme a un generatore Siemens , e mise i suoi ingegneri a sperimentarli nella speranza di migliorarli per l'uso in un sistema di alimentazione. Nel 1886, uno degli ingegneri di Westinghouse, William Stanley , riconobbe indipendentemente il problema con il collegamento dei trasformatori in serie anziché in parallelo e si rese anche conto che rendere il nucleo di ferro di un trasformatore un anello completamente chiuso avrebbe migliorato la regolazione della tensione dell'avvolgimento secondario. Usando questa conoscenza , nel 1886 costruì un sistema di alimentazione a corrente alternata basato su trasformatore multi-tensione che serviva più case e aziende a Great Barrington, nel Massachusetts. Il sistema era inaffidabile (a causa principalmente di problemi di generazione) e di breve durata. Tuttavia, sulla base di tale sistema, Westinghouse avrebbe iniziato a installare sistemi di trasformatori CA in concorrenza con la società Edison nello stesso anno. Nel 1888, Westinghouse concesse in licenza i brevetti di Nikola Tesla per un motore a induzione CA polifase e progetti di trasformatori. Tesla è stata consulente per un anno presso la Westinghouse Electric & Manufacturing Company, ma gli ingegneri della Westinghouse hanno impiegato altri quattro anni per sviluppare un motore polifase funzionante e un sistema di trasmissione.

Nel 1889, l'industria dell'energia elettrica era fiorente e le compagnie elettriche avevano costruito migliaia di sistemi di alimentazione (sia a corrente continua che alternata) negli Stati Uniti e in Europa. Queste reti erano effettivamente dedicate alla fornitura di illuminazione elettrica. Durante questo periodo la rivalità tra Thomas Edison e le compagnie di George Westinghouse era diventata una campagna di propaganda su quale forma di trasmissione (corrente continua o alternata) fosse superiore, una serie di eventi conosciuti come la " guerra delle correnti ". Nel 1891, Westinghouse installò il primo grande sistema di alimentazione progettato per azionare un motore elettrico sincrono da 100 cavalli (75 kW), non solo per fornire illuminazione elettrica, a Telluride, in Colorado . Dall'altra parte dell'Atlantico, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky e Charles Eugene Lancelot Brown , costruirono la prima linea di trasmissione trifase a lunga distanza (175 km) ad alta tensione (15 kV, quindi un record) da Lauffen am Neckar a Francoforte am Main per l'Esposizione di Ingegneria Elettrica a Francoforte, dove l'energia è stata utilizzata per accendere le lampade e far funzionare una pompa dell'acqua. Negli Stati Uniti la competizione AC/DC si è conclusa quando Edison General Electric è stata rilevata dal loro principale rivale AC, la Thomson-Houston Electric Company , formando la General Electric . Nel 1895, dopo un lungo processo decisionale, la corrente alternata fu scelta come standard di trasmissione con Westinghouse che costruì la stazione di generazione Adams n. 1 a Niagara Falls e General Electric costruendo il sistema di alimentazione a corrente alternata trifase per fornire Buffalo a 11 kV .

Gli sviluppi nei sistemi di alimentazione continuarono oltre il diciannovesimo secolo. Nel 1936, tra Schenectady e Mechanicville, New York, fu costruita la prima linea sperimentale in corrente continua ad alta tensione (HVDC) che utilizzava valvole ad arco di mercurio . L'HVDC era stato precedentemente ottenuto da generatori e motori a corrente continua collegati in serie (il sistema Thury ) sebbene questo soffrisse di gravi problemi di affidabilità. Il primo diodo metallico a stato solido adatto per usi generali di energia è stato sviluppato da Ernst Presser a TeKaDe nel 1928. Consisteva in uno strato di selenio applicato su una piastra di alluminio. Nel 1957, un gruppo di ricerca della General Electric sviluppò il primo tiristore adatto all'uso in applicazioni di potenza, avviando una rivoluzione nell'elettronica di potenza. Nello stesso anno, Siemens ha dimostrato un raddrizzatore a stato solido, ma è stato solo all'inizio degli anni '70 che i dispositivi a stato solido sono diventati lo standard nell'HVDC, quando GE è emersa come uno dei principali fornitori di HVDC a tiristori. Nel 1979, un consorzio europeo comprendente Siemens, Brown Boveri & Cie e AEG realizzò il collegamento HVDC record da Cabora Bassa a Johannesburg , che si estendeva per oltre 1.420 km e trasportava 1,9 GW a 533 kV.

In tempi recenti, molti importanti sviluppi sono venuti dall'estensione delle innovazioni nel campo delle tecnologie dell'informazione e della comunicazione (TIC) al campo dell'ingegneria energetica. Ad esempio, lo sviluppo dei computer ha consentito di eseguire studi sul flusso di carico in modo più efficiente, consentendo una pianificazione molto migliore dei sistemi di alimentazione. I progressi nella tecnologia dell'informazione e delle telecomunicazioni hanno anche consentito un controllo remoto efficace dei quadri e dei generatori di un sistema di alimentazione.

Nozioni di base sull'energia elettrica

Animazione di corrente alternata trifase

L'energia elettrica è il prodotto di due grandezze: corrente e tensione . Queste due grandezze possono variare nel tempo ( potenza AC ) oppure possono essere mantenute a livelli costanti ( potenza DC ).

La maggior parte dei frigoriferi, dei condizionatori d'aria, delle pompe e dei macchinari industriali utilizzano l'alimentazione CA, mentre la maggior parte dei computer e delle apparecchiature digitali utilizzano l'alimentazione CC (i dispositivi digitali collegati alla rete in genere hanno un adattatore di alimentazione interno o esterno per convertire da alimentazione CA a CC). L'alimentazione CA ha il vantaggio di essere facilmente trasformabile tra le tensioni ed è in grado di essere generata e utilizzata da macchinari brushless. L'alimentazione CC rimane l'unica scelta pratica nei sistemi digitali e può essere più economico trasmettere su lunghe distanze a tensioni molto elevate (vedi HVDC ).

La capacità di trasformare facilmente la tensione dell'alimentazione CA è importante per due motivi: in primo luogo, la potenza può essere trasmessa su lunghe distanze con minori perdite a tensioni più elevate. Quindi nei sistemi di alimentazione in cui la generazione è distante dal carico, è desiderabile aumentare (aumentare) la tensione di alimentazione nel punto di generazione e quindi ridurre (diminuire) la tensione vicino al carico. In secondo luogo, è spesso più economico installare turbine che producono tensioni più elevate rispetto a quelle utilizzate dalla maggior parte degli apparecchi, quindi la capacità di trasformare facilmente le tensioni significa che questa discrepanza tra le tensioni può essere facilmente gestita.

I dispositivi a stato solido , che sono i prodotti della rivoluzione dei semiconduttori, consentono di trasformare l' alimentazione CC a diverse tensioni , costruire macchine CC senza spazzole e convertire tra alimentazione CA e CC . Tuttavia, i dispositivi che utilizzano la tecnologia a stato solido sono spesso più costosi delle loro controparti tradizionali, quindi l'alimentazione CA rimane ampiamente utilizzata.

Componenti dei sistemi di alimentazione

Forniture

La maggior parte dell'energia mondiale proviene ancora da centrali elettriche a carbone come questa

Tutti i sistemi di alimentazione hanno una o più fonti di alimentazione. Per alcuni sistemi di alimentazione, la fonte di alimentazione è esterna al sistema, ma per altri fa parte del sistema stesso: sono queste fonti di alimentazione interne che verranno discusse nel resto di questa sezione. L'alimentazione in corrente continua può essere fornita da batterie , celle a combustibile o celle fotovoltaiche . La corrente alternata è tipicamente fornita da un rotore che gira in un campo magnetico in un dispositivo noto come turbogeneratore . C'è stata una vasta gamma di tecniche utilizzate per far girare il rotore di una turbina, dal vapore riscaldato utilizzando combustibili fossili (compresi carbone, gas e petrolio) o energia nucleare alla caduta dell'acqua ( energia idroelettrica ) e del vento ( energia eolica ).

La velocità di rotazione del rotore in combinazione con il numero di poli del generatore determina la frequenza della corrente alternata prodotta dal generatore. Tutti i generatori su un unico sistema sincrono, ad esempio la rete nazionale , ruotano a sottomultipli della stessa velocità e generano così corrente elettrica alla stessa frequenza. Se il carico sul sistema aumenta, i generatori richiederanno più coppia per girare a quella velocità e, in una centrale elettrica a vapore, sarà necessario fornire più vapore alle turbine che li azionano. Quindi il vapore utilizzato e il combustibile consumato sono direttamente correlati alla quantità di energia elettrica fornita. Esiste un'eccezione per i generatori che incorporano elettronica di potenza come le turbine eoliche senza ingranaggi o collegati a una rete tramite un collegamento asincrono come un collegamento HVDC : questi possono funzionare a frequenze indipendenti dalla frequenza del sistema di alimentazione.

A seconda di come vengono alimentati i poli, i generatori di corrente alternata possono produrre un numero variabile di fasi di potenza. Un numero maggiore di fasi porta a un funzionamento più efficiente del sistema di alimentazione, ma aumenta anche i requisiti di infrastruttura del sistema. I sistemi di rete elettrica collegano più generatori funzionanti alla stessa frequenza: il più comune è quello trifase a 50 o 60 Hz.

Ci sono una serie di considerazioni di progettazione per gli alimentatori. Questi vanno dall'ovvio: quanta potenza dovrebbe essere in grado di fornire il generatore? Qual è un periodo di tempo accettabile per avviare il generatore (alcuni generatori possono impiegare ore per avviarsi)? La disponibilità della fonte di energia è accettabile (alcune energie rinnovabili sono disponibili solo quando splende il sole o soffia il vento)? Per i più tecnici: come dovrebbe avviarsi il generatore (alcune turbine agiscono come un motore per portarsi in velocità, nel qual caso hanno bisogno di un circuito di avviamento appropriato)? Qual è la velocità meccanica di funzionamento della turbina e di conseguenza il numero di poli necessari? Che tipo di generatore è adatto ( sincrono o asincrono ) e che tipo di rotore (rotore a gabbia di scoiattolo, rotore avvolto, rotore a poli salienti o rotore cilindrico)?

Carichi

Un tostapane è un ottimo esempio di carico monofase che potrebbe apparire in una residenza. I tostapane in genere assorbono da 2 a 10 ampere a 110-260 volt consumando circa 600-1200 watt di potenza.

I sistemi di alimentazione forniscono energia ai carichi che svolgono una funzione. Questi carichi vanno dagli elettrodomestici ai macchinari industriali. La maggior parte dei carichi prevede una certa tensione e, per i dispositivi in ​​corrente alternata, una certa frequenza e numero di fasi. Gli elettrodomestici che si trovano negli ambienti residenziali, ad esempio, saranno tipicamente monofase funzionanti a 50 o 60 Hz con una tensione compresa tra 110 e 260 volt (a seconda delle normative nazionali). Esiste un'eccezione per i sistemi di condizionamento dell'aria centralizzati più grandi poiché in alcuni paesi questi sono ora tipicamente trifase perché ciò consente loro di funzionare in modo più efficiente. Tutti gli apparecchi elettrici hanno anche un wattaggio, che specifica la quantità di energia consumata dal dispositivo. In qualsiasi momento, la quantità netta di potenza consumata dai carichi su un sistema di alimentazione deve essere uguale alla quantità netta di potenza prodotta dagli alimentatori meno la potenza persa nella trasmissione.

Garantire che la tensione, la frequenza e la quantità di potenza fornita ai carichi siano in linea con le aspettative è una delle grandi sfide dell'ingegneria dei sistemi di alimentazione. Tuttavia non è l'unica sfida, oltre alla potenza utilizzata da un carico per svolgere un lavoro utile (definito potenza reale ) molti dispositivi a corrente alternata utilizzano anche una quantità aggiuntiva di potenza perché fanno sì che la tensione alternata e la corrente alternata diventino leggermente fuori -of-sync (denominata potenza reattiva ). La potenza reattiva come la potenza reale deve bilanciarsi (cioè la potenza reattiva prodotta su un sistema deve eguagliare la potenza reattiva consumata) e può essere fornita dai generatori, tuttavia spesso è più economico fornire tale potenza dai condensatori (vedi "Condensatori e reattori" di seguito per maggiori dettagli).

Un'ultima considerazione sui carichi ha a che fare con la qualità dell'energia. Oltre a sovratensioni e sottotensioni prolungate (problemi di regolazione della tensione) e deviazioni prolungate dalla frequenza del sistema (problemi di regolazione della frequenza), i carichi del sistema di alimentazione possono essere influenzati negativamente da una serie di problemi temporali. Questi includono abbassamenti, cali e sbalzi di tensione, sovratensioni transitorie, sfarfallio, rumore ad alta frequenza, squilibrio di fase e fattore di potenza scarso. I problemi di qualità dell'alimentazione si verificano quando l'alimentazione di un carico si discosta dall'ideale. I problemi di qualità dell'energia possono essere particolarmente importanti quando si tratta di macchinari industriali specializzati o attrezzature ospedaliere.

Conduttori

Conduttori di media tensione parzialmente isolati in California

I conduttori trasportano l'energia dai generatori al carico. In una rete , i conduttori possono essere classificati come appartenenti al sistema di trasmissione , che trasporta grandi quantità di potenza ad alta tensione (tipicamente più di 69 kV) dai centri di generazione ai centri di carico, o al sistema di distribuzione , che alimenta quantità minori di potenza a tensioni inferiori (tipicamente inferiori a 69 kV) dai centri di carico alle abitazioni e alle industrie vicine.

La scelta dei conduttori si basa su considerazioni quali il costo, le perdite di trasmissione e altre caratteristiche desiderabili del metallo come la resistenza alla trazione. Il rame , con una resistività inferiore all'alluminio , un tempo era il conduttore preferito per la maggior parte dei sistemi di alimentazione. Tuttavia, l'alluminio ha un costo inferiore a parità di capacità di carico di corrente ed è spesso il conduttore preferito. I conduttori delle linee aeree possono essere rinforzati con acciaio o leghe di alluminio.

I conduttori nei sistemi di alimentazione esterni possono essere posizionati sopra o sotto terra. I conduttori aerei sono generalmente isolati in aria e supportati su isolanti in porcellana, vetro o polimero. I cavi utilizzati per la trasmissione sotterranea o il cablaggio degli edifici sono isolati con polietilene reticolato o altro isolamento flessibile. I conduttori sono spesso intrecciati per renderli più flessibili e quindi più facili da installare.

I conduttori sono generalmente classificati per la corrente massima che possono trasportare a un dato aumento di temperatura in condizioni ambientali. Quando il flusso di corrente aumenta attraverso un conduttore, questo si riscalda. Per i conduttori isolati, la valutazione è determinata dall'isolamento. Per i conduttori nudi, il rating è determinato dal punto in cui l'abbassamento dei conduttori diventerebbe inaccettabile.

Condensatori e reattori

Un'installazione di condensatore sincrono nella sottostazione di Templestowe , Melbourne, Victoria

La maggior parte del carico in un tipico sistema di alimentazione CA è induttivo; la corrente è in ritardo rispetto alla tensione. Poiché la tensione e la corrente sono sfasate, ciò porta all'emergere di una forma "immaginaria" di potenza nota come potenza reattiva . La potenza reattiva non fa un lavoro misurabile ma viene trasmessa avanti e indietro tra la sorgente di potenza reattiva e il carico ad ogni ciclo. Questa potenza reattiva può essere fornita dai generatori stessi ma spesso è più economico fornirla tramite condensatori, quindi i condensatori sono spesso posizionati vicino a carichi induttivi (cioè se non in loco presso la sottostazione più vicina) per ridurre la richiesta di corrente sul sistema di alimentazione ( cioè aumentare il fattore di potenza ).

I reattori consumano potenza reattiva e vengono utilizzati per regolare la tensione su lunghe linee di trasmissione. In condizioni di carico leggero, dove il carico sulle linee di trasmissione è ben al di sotto del carico di impedenza di picco , l'efficienza del sistema di alimentazione può effettivamente essere migliorata inserendo i reattori. I reattori installati in serie in un sistema di alimentazione limitano anche gli sbalzi di corrente, quindi i piccoli reattori sono quasi sempre installati in serie con i condensatori per limitare l'impulso di corrente associato alla commutazione in un condensatore. Le reattanze in serie possono essere utilizzate anche per limitare le correnti di guasto.

Condensatori e reattori sono commutati da interruttori automatici, il che si traduce in variazioni di gradino moderatamente grandi della potenza reattiva. Una soluzione a questo si presenta sotto forma di condensatori sincroni , compensatori VAR statici e compensatori sincroni statici . In breve, i condensatori sincroni sono motori sincroni che ruotano liberamente per generare o assorbire potenza reattiva. I compensatori VAR statici funzionano inserendo i condensatori utilizzando tiristori anziché interruttori automatici che consentono di inserire e disinserire i condensatori in un singolo ciclo. Ciò fornisce una risposta molto più raffinata rispetto ai condensatori commutati con interruttore automatico. I compensatori statici sincroni fanno un ulteriore passo avanti ottenendo regolazioni della potenza reattiva utilizzando solo l'elettronica di potenza .

Elettronica di potenza

Questo adattatore di alimentazione da CA a CC per uso domestico esterno utilizza l'elettronica di potenza

L'elettronica di potenza sono dispositivi basati su semiconduttori in grado di commutare quantità di potenza che vanno da poche centinaia di watt a diverse centinaia di megawatt. Nonostante la loro funzione relativamente semplice, la loro velocità di funzionamento (tipicamente nell'ordine dei nanosecondi) significa che sono in grado di svolgere un'ampia gamma di compiti che sarebbero difficili o impossibili con la tecnologia convenzionale. La funzione classica dell'elettronica di potenza è la rettifica , o la conversione dell'alimentazione da CA a CC, l'elettronica di potenza si trova quindi in quasi tutti i dispositivi digitali alimentati da una fonte CA sia come adattatore che si inserisce nel muro (vedi foto) o come componente interno al dispositivo. L'elettronica di potenza ad alta potenza può anche essere utilizzata per convertire l'alimentazione CA in alimentazione CC per la trasmissione a lunga distanza in un sistema noto come HVDC . L'HVDC viene utilizzato perché si rivela più economico rispetto a sistemi AC ad alta tensione simili per distanze molto lunghe (da centinaia a migliaia di chilometri). L'HVDC è anche auspicabile per le interconnessioni perché consente l'indipendenza dalla frequenza migliorando così la stabilità del sistema. L'elettronica di potenza è essenziale anche per qualsiasi fonte di alimentazione necessaria per produrre un'uscita CA ma che per sua natura produce un'uscita CC. Sono quindi utilizzati dagli impianti fotovoltaici.

L'elettronica di potenza è presente anche in una vasta gamma di usi più esotici. Sono al centro di tutti i moderni veicoli elettrici e ibridi, dove vengono utilizzati sia per il controllo del motore che come parte del motore CC senza spazzole . L'elettronica di potenza si trova anche in praticamente tutti i moderni veicoli a benzina, questo perché la potenza fornita dalle sole batterie dell'auto non è sufficiente per fornire accensione, aria condizionata, illuminazione interna, radio e display del cruscotto per tutta la vita dell'auto. Quindi le batterie devono essere ricaricate durante la guida, un'impresa che in genere viene eseguita utilizzando l'elettronica di potenza. Mentre la tecnologia convenzionale non sarebbe adatta per una moderna auto elettrica, i commutatori possono e sono stati utilizzati nelle auto a benzina, il passaggio agli alternatori in combinazione con l'elettronica di potenza è avvenuto a causa della maggiore durata dei macchinari brushless.

Alcuni sistemi ferroviari elettrici utilizzano anche l'alimentazione CC e quindi utilizzano l'elettronica di potenza per alimentare la rete di alimentazione delle locomotive e spesso per il controllo della velocità del motore della locomotiva. A metà del ventesimo secolo, le locomotive raddrizzatrici erano popolari, queste utilizzavano l'elettronica di potenza per convertire l'alimentazione CA dalla rete ferroviaria per l'uso da parte di un motore CC. Oggi la maggior parte delle locomotive elettriche sono alimentate a corrente alternata e funzionano con motori a corrente alternata, ma utilizzano ancora l'elettronica di potenza per fornire un adeguato controllo del motore. L'uso dell'elettronica di potenza per assistere con il controllo del motore e con i circuiti di avviamento, oltre alla rettifica, è responsabile della comparsa dell'elettronica di potenza in un'ampia gamma di macchinari industriali. L'elettronica di potenza appare anche nei moderni condizionatori d'aria residenziali e sono il cuore della turbina eolica a velocità variabile .

Dispositivi di protezione

Un relè di protezione digitale multifunzione tipicamente installato in una sottostazione per proteggere un alimentatore di distribuzione

I sistemi di alimentazione contengono dispositivi di protezione per prevenire lesioni o danni durante i guasti. Il dispositivo di protezione per eccellenza è il fusibile. Quando la corrente attraverso un fusibile supera una certa soglia, l'elemento fusibile si scioglie, producendo un arco attraverso lo spazio risultante che viene poi estinto, interrompendo il circuito. Dato che i fusibili possono essere costruiti come punto debole di un sistema, i fusibili sono ideali per proteggere i circuiti dai danni. I fusibili hanno però due problemi: Primo, dopo che hanno funzionato, i fusibili devono essere sostituiti in quanto non possono essere ripristinati. Ciò può rivelarsi scomodo se il fusibile si trova in un sito remoto o se non è disponibile un fusibile di riserva. E in secondo luogo, i fusibili sono in genere inadeguati come unico dispositivo di sicurezza nella maggior parte dei sistemi di alimentazione in quanto consentono flussi di corrente ben superiori a quelli che si rivelerebbero letali per un essere umano o un animale.

Il primo problema è risolto dall'uso di interruttori automatici, dispositivi che possono essere ripristinati dopo aver interrotto il flusso di corrente. Nei sistemi moderni che utilizzano meno di circa 10 kW, vengono generalmente utilizzati interruttori automatici miniaturizzati. Questi dispositivi combinano il meccanismo che avvia lo scatto (rilevando la corrente in eccesso) e il meccanismo che interrompe il flusso di corrente in una singola unità. Alcuni interruttori automatici miniaturizzati funzionano esclusivamente sulla base dell'elettromagnetismo. In questi interruttori miniaturizzati, la corrente passa attraverso un solenoide e, in caso di flusso di corrente in eccesso, l'attrazione magnetica del solenoide è sufficiente per forzare l'apertura dei contatti dell'interruttore (spesso indirettamente attraverso un meccanismo di scatto). Un design migliore, tuttavia, si ottiene inserendo una striscia bimetallica prima del solenoide: questo significa che invece di produrre sempre una forza magnetica, il solenoide produce una forza magnetica solo quando la corrente è abbastanza forte da deformare la striscia bimetallica e completare il circuito del solenoide .

Nelle applicazioni ad alta potenza, i relè di protezione che rilevano un guasto e avviano uno scatto sono separati dall'interruttore automatico. I primi relè funzionavano in base a principi elettromagnetici simili a quelli menzionati nel paragrafo precedente, i relè moderni sono computer specifici per l'applicazione che determinano se scattare in base alle letture del sistema di alimentazione. Relè diversi attiveranno gli scatti a seconda dei diversi schemi di protezione . Ad esempio, un relè di sovracorrente potrebbe avviare uno scatto se la corrente su qualsiasi fase supera una certa soglia, mentre una serie di relè differenziali potrebbe avviare uno scatto se la somma delle correnti tra di loro indica che potrebbe esserci una dispersione di corrente a terra. Anche gli interruttori automatici nelle applicazioni di potenza superiore sono diversi. L'aria in genere non è più sufficiente per spegnere l'arco che si forma quando i contatti vengono forzati ad aprirsi, quindi vengono utilizzate diverse tecniche. Una delle tecniche più popolari consiste nel mantenere la camera che racchiude i contatti allagata con esafluoruro di zolfo (SF 6 ), un gas non tossico con proprietà di spegnimento dell'arco. Altre tecniche sono discusse nel riferimento.

Il secondo problema, l'inadeguatezza dei fusibili a fungere da unico dispositivo di sicurezza nella maggior parte dei sistemi di alimentazione, è probabilmente risolto al meglio con l'uso di dispositivi a corrente residua (RCD). In qualsiasi apparecchio elettrico correttamente funzionante, la corrente che fluisce nell'apparecchio sulla linea attiva dovrebbe essere uguale alla corrente che fluisce dall'apparecchio sulla linea neutra. Un differenziale funziona monitorando le linee attiva e neutra e disattivando la linea attiva se rileva una differenza. I dispositivi differenziali richiedono una linea neutra separata per ciascuna fase e per poter intervenire entro un intervallo di tempo prima che si verifichi un danno. Questo non è in genere un problema nella maggior parte delle applicazioni residenziali in cui il cablaggio standard fornisce una linea attiva e neutra per ogni apparecchio (ecco perché le spine di alimentazione hanno sempre almeno due pinze) e le tensioni sono relativamente basse, tuttavia questi problemi limitano l'efficacia degli interruttori differenziali in altre applicazioni come l'industria. Anche con l'installazione di un RCD, l'esposizione all'elettricità può ancora rivelarsi fatale.

Sistemi SCADA

Nei grandi sistemi di alimentazione elettrica, il controllo di supervisione e l'acquisizione dei dati (SCADA) viene utilizzato per attività come l'accensione di generatori, il controllo dell'uscita del generatore e l'attivazione o disattivazione di elementi del sistema per la manutenzione. I primi sistemi di controllo di supervisione implementati consistevano in un pannello di lampade e interruttori in una console centrale vicino all'impianto controllato. Le lampade fornivano un feedback sullo stato dell'impianto (la funzione di acquisizione dati) e gli interruttori consentivano di effettuare le regolazioni dell'impianto (la funzione di supervisione e controllo). Oggi i sistemi SCADA sono molto più sofisticati e, grazie ai progressi nei sistemi di comunicazione, le console di controllo dell'impianto non devono più essere vicine all'impianto stesso. Invece, è ormai comune che gli impianti vengano controllati con apparecchiature simili (se non identiche) a un computer desktop. La capacità di controllare tali impianti tramite computer ha aumentato la necessità di sicurezza: sono già stati segnalati attacchi informatici a tali sistemi che hanno causato interruzioni significative ai sistemi di alimentazione.

Sistemi di alimentazione in pratica

Nonostante i loro componenti comuni, i sistemi di alimentazione variano ampiamente sia per quanto riguarda il loro design che per il modo in cui funzionano. Questa sezione introduce alcuni tipi comuni di sistemi di alimentazione e ne spiega brevemente il funzionamento.

Sistemi di alimentazione residenziali

Le abitazioni residenziali prendono quasi sempre l'alimentazione dalle linee di distribuzione a bassa tensione o dai cavi che passano davanti all'abitazione. Questi funzionano a tensioni comprese tra 110 e 260 volt (fase-terra) a seconda degli standard nazionali. Qualche decennio fa le piccole abitazioni sarebbero state alimentate con un'unica fase utilizzando un cavo di servizio a due conduttori dedicato (un nucleo per la fase attiva e un nucleo per il ritorno del neutro). La linea attiva verrebbe quindi fatta passare attraverso un sezionatore principale nella scatola dei fusibili e quindi divisa in uno o più circuiti per alimentare l'illuminazione e gli elettrodomestici all'interno della casa. Per convenzione, i circuiti dell'illuminazione e degli elettrodomestici sono tenuti separati in modo che il guasto di un apparecchio non lasci al buio gli occupanti dell'abitazione. Tutti i circuiti sarebbero fusi con un fusibile appropriato in base alla dimensione del filo utilizzata per quel circuito. I circuiti avrebbero sia un filo attivo che neutro con entrambe le prese di illuminazione e di alimentazione collegate in parallelo. Le prese sarebbero inoltre dotate di una messa a terra di protezione. Questo sarebbe messo a disposizione degli apparecchi da collegare a qualsiasi involucro metallico. Se questo involucro dovesse diventare sotto tensione, la teoria è che il collegamento a terra farebbe scattare un RCD o un fusibile, prevenendo così la futura folgorazione di un occupante che maneggia l'apparecchio. I sistemi di messa a terra variano da una regione all'altra, ma in paesi come il Regno Unito e l'Australia sia la messa a terra di protezione che la linea del neutro sarebbero collegate a terra insieme vicino alla scatola dei fusibili prima dell'interruttore principale di isolamento e il neutro nuovamente a terra al trasformatore di distribuzione.

Nel corso degli anni sono state apportate alcune modifiche minori alla pratica del cablaggio residenziale. Alcuni dei modi più significativi in ​​cui i moderni sistemi di alimentazione residenziale nei paesi sviluppati tendono a variare rispetto a quelli più vecchi includono:

  • Per comodità, gli interruttori magnetotermici sono ormai quasi sempre utilizzati nella scatola dei fusibili al posto dei fusibili in quanto questi possono essere facilmente ripristinati dagli occupanti e, se di tipo termomagnetico, possono rispondere più rapidamente ad alcuni tipi di guasto.
  • Per motivi di sicurezza, gli RCD sono ormai spesso installati sui circuiti degli apparecchi e, in misura crescente, anche sui circuiti di illuminazione.
  • Mentre i condizionatori d'aria residenziali del passato potevano essere alimentati da un circuito dedicato collegato a una singola fase, in alcuni paesi stanno diventando comuni condizionatori d'aria centralizzati più grandi che richiedono alimentazione trifase.
  • Le terre di protezione sono ora gestite con circuiti di illuminazione per consentire la messa a terra dei portalampada metallici.
  • Sempre più sistemi energetici residenziali incorporano microgeneratori , in particolare celle fotovoltaiche.

Sistemi di alimentazione commerciali

I sistemi energetici commerciali come centri commerciali o grattacieli sono di dimensioni maggiori rispetto ai sistemi residenziali. I progetti elettrici per i sistemi commerciali più grandi sono generalmente studiati per il flusso di carico, i livelli di guasto di cortocircuito e la caduta di tensione per carichi stazionari e durante l'avviamento di motori di grandi dimensioni. Gli obiettivi degli studi sono garantire il corretto dimensionamento delle apparecchiature e dei conduttori e coordinare i dispositivi di protezione in modo che si verifichino interruzioni minime quando viene eliminato un guasto. I grandi impianti commerciali avranno un sistema ordinato di sottoquadri, separati dal quadro di distribuzione principale per consentire una migliore protezione del sistema e un'installazione elettrica più efficiente.

In genere uno dei più grandi apparecchi collegati a un sistema di alimentazione commerciale in climi caldi è l'unità HVAC e garantire che questa unità sia adeguatamente alimentata è una considerazione importante nei sistemi di alimentazione commerciale. I regolamenti per gli stabilimenti commerciali impongono altri requisiti ai sistemi commerciali che non sono posti sui sistemi residenziali. Ad esempio, in Australia, gli impianti commerciali devono essere conformi alla AS 2293, lo standard per l'illuminazione di emergenza, che richiede che l'illuminazione di emergenza venga mantenuta per almeno 90 minuti in caso di interruzione dell'alimentazione di rete. Negli Stati Uniti, il National Electrical Code richiede che gli impianti commerciali siano costruiti con almeno una presa di segnale da 20 A per illuminare la segnaletica esterna. Le normative edilizie possono imporre requisiti speciali all'impianto elettrico per l'illuminazione di emergenza, l'evacuazione, l'alimentazione di emergenza, il controllo del fumo e la protezione antincendio.

Gestione del sistema di alimentazione

La gestione del sistema di alimentazione varia a seconda del sistema di alimentazione. I sistemi di alimentazione residenziali e persino i sistemi elettrici automobilistici sono spesso run-to-fail. Nell'aviazione, il sistema di alimentazione utilizza la ridondanza per garantire la disponibilità. Sul Boeing 747-400 qualsiasi dei quattro motori possono fornire potenza e interruttori sono controllati come parte di accensione (un interruttore scattato indicativo di un guasto). I sistemi di alimentazione più grandi richiedono una gestione attiva. Negli impianti industriali o nei siti minerari un singolo team potrebbe essere responsabile della gestione, dell'aumento e della manutenzione dei guasti. Laddove per quanto riguarda la rete elettrica , la gestione è suddivisa tra più squadre specializzate.

Gestione dei guasti

La gestione dei guasti prevede il monitoraggio del comportamento del sistema di alimentazione in modo da identificare e correggere i problemi che influiscono sull'affidabilità del sistema. La gestione dei guasti può essere specifica e reattiva: ad esempio, inviare una squadra a un conduttore che è stato abbattuto durante un temporale. Oppure, in alternativa, può concentrarsi su miglioramenti sistemici: come l'installazione di richiusori su sezioni del sistema soggette a frequenti interruzioni temporanee (come potrebbero essere causate da vegetazione, fulmini o fauna selvatica).

Manutenzione e potenziamento

Oltre alla gestione dei guasti, i sistemi di alimentazione possono richiedere manutenzione o potenziamento. Poiché spesso non è né economico né pratico che gran parte del sistema sia offline durante questo lavoro, i sistemi di alimentazione sono costruiti con molti interruttori. Questi interruttori consentono di isolare la parte del sistema su cui si lavora mentre il resto del sistema rimane sotto tensione. Alle alte tensioni sono presenti due interruttori degni di nota: sezionatori e interruttori automatici . Gli interruttori di circuito sono interruttori di interruzione del carico in cui il funzionamento degli isolatori sotto carico porterebbe a archi elettrici inaccettabili e pericolosi . In una tipica interruzione pianificata, vengono attivati ​​diversi interruttori di circuito per consentire la commutazione degli isolatori prima che gli interruttori di circuito vengano nuovamente chiusi per reindirizzare l'alimentazione intorno all'area isolata. Ciò consente di completare i lavori sull'area isolata.

Gestione della frequenza e della tensione

Al di là della gestione e della manutenzione dei guasti, una delle principali difficoltà nei sistemi di alimentazione è che la potenza attiva consumata più le perdite deve essere uguale alla potenza attiva prodotta. Se il carico viene ridotto mentre gli input di generazione rimangono costanti, i generatori sincroni gireranno più velocemente e la frequenza del sistema aumenterà. Si verifica il contrario se si aumenta il carico. Pertanto, la frequenza del sistema deve essere gestita attivamente principalmente attraverso l'accensione e lo spegnimento dei carichi e la generazione dispacciabili . Assicurarsi che la frequenza sia costante è solitamente compito di un operatore di sistema . Anche con frequenza mantenuta, l'operatore del sistema può essere tenuto occupato garantendo:

  1. apparecchiature o clienti sul sistema vengono forniti con la tensione richiesta
  2. la trasmissione di potenza reattiva è ridotta al minimo (conducendo a un funzionamento più efficiente)
  3. le squadre vengono inviate e il sistema viene commutato per mitigare eventuali guasti
  4. la commutazione remota è intrapresa per consentire il funzionamento del sistema

Appunti

Guarda anche

Riferimenti

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