Le cose fondamentali sulle sottostazioni che DEVI sapere nel cuore della notte!

Cos’è la sottostazione?

Per spiegarlo in parole molto semplici, direi che la sottostazione è un gruppo di dispositivi elettrici riuniti e collegati in un posto. In cima ci sono dispositivi elettrici intelligenti che controllano e proteggono gli altri in modo che tutto funzioni correttamente. E tutti i dispositivi della sottostazione sono felici, almeno finché qualcosa non va storto…

Le cose fondamentali sulle sottostazioni che DEVI sapere nel cuore della notte!
Le cose fondamentali sulle sottostazioni che DEVI sapere nel cuore della notte!

In modo meno semplice, la sottostazione è la parte fondamentale dei sistemi di generazione, trasmissione e distribuzione elettrica. La sottostazione trasforma la tensione da alta a bassa o da bassa ad alta a seconda delle necessità. La sottostazione distribuisce anche l’energia elettrica dalle stazioni di generazione al centro di consumo.

L’energia elettrica può fluire attraverso diverse sottostazioni tra la centrale di generazione e il consumatore, e la tensione può essere cambiata in diverse fasi.

Contenuti:

  1. Classificazione delle sottostazioni
    1. Stazioni di trasmissione
    2. Sottostazionisottostazioni di trasmissione
    3. sottostazioni di distribuzione
  2. Attrezzature della sottostazione
    1. Trasformatori
    2. Interruttori di circuito
    3. Interruttori di sezionamento
    4. Sottostazione Bus
    5. Sbarre antifulmine
    6. Insulatori e conduttori
    7. Relè di protezione
    8. Fusibili
  3. Posizione della sottostazione

1. Classificazione delle sottostazioni

Le sottostazioni possono essere generalmente divise in tre tipi principali (secondo i livelli di tensione):

1.1 Sottostazioni di trasmissione

Le sottostazioni di trasmissione integrano le linee di trasmissione in una rete con interconnessioni multiple parallele, in modo che l’energia possa fluire liberamente su lunghe distanze da qualsiasi generatore a qualsiasi consumatore.

Questa rete di trasmissione è spesso chiamata bulk power system. Tipicamente, le linee di trasmissione operano a tensioni superiori a 138 kV. Le sottostazioni di trasmissione spesso includono la trasformazione da un livello di tensione di trasmissione a un altro.

Sistema di trasmissione e distribuzione dell'energia elettrica
Figura 1 – Sistema di trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica

La funzione primaria della trasmissione è quella di trasmettere l’energia di massa dalle fonti di generazione desiderabili ai punti di consegna dell’energia di massa.

I benefici hanno tradizionalmente incluso costi più bassi dell’energia elettrica, l’accesso alle energie rinnovabili come l’eolico e l’idroelettrico, la localizzazione delle centrali elettriche lontano dai grandi centri abitati e l’accesso a fonti di generazione alternative quando le fonti primarie non sono disponibili.

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1.2 Sottostazioni di trasmissione

Le sottostazioni di trasmissione operano in genere a livelli di tensione da 33 kV a 138 kV. Questo tipo di sottostazioni trasforma le alte tensioni usate per un’efficiente trasmissione a lunga distanza attraverso la rete ai livelli di tensione di sub-trasmissione

Questo modo di trasmettere l’energia attraverso linee di alimentazione alle sottostazioni di distribuzione nelle regioni circostanti è molto più conveniente.

Queste linee di alimentazione sono alimentatori radiali, ognuno dei quali collega la sottostazione a un piccolo numero di sottostazioni di distribuzione.

Sistemi di subtrasmissione radiale
Figura 2 – Sistemi di subtrasmissione radiale

La configurazione di subtrasmissione a doppia fonte è più affidabile: I guasti su uno dei circuiti radiali di sub-trasmissione non dovrebbero causare interruzioni alle sottostazioni. I guasti sul doppio circuito possono causare interruzioni multiple alle stazioni.

La configurazione di subtrasmissione radiale a sorgente singola è meno affidabile: I guasti sul circuito radiale di subtrasmissione possono causare interruzioni a più sottostazioni.

La maggior parte delle linee di subtrasmissione sono di tipo aereo. Molte di esse sono costruite proprio lungo le strade e le vie, proprio come le linee di distribuzione. Alcune linee di sub-trasmissione a più alto voltaggio usano un right-of-way privato come le linee di trasmissione di massa.

Inoltre, le nuove linee di sub-trasmissione tendono ad essere messe sottoterra, dato che lo sviluppo di cavi ad isolamento solido ha reso i costi più ragionevoli.

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1.3 Sottostazioni di distribuzione

Le sottostazioni di distribuzione tipicamente operano a livelli di tensione 11KV/0.4KV e forniscono energia elettrica direttamente ai consumatori industriali e residenziali. Si noti che il livello di tensione di distribuzione può variare nei paesi di tutto il mondo.

Le reti di distribuzione trasportano l’energia dalle sottostazioni di distribuzione ai locali dei consumatori finali. Le alimentazioni servono un gran numero di locali e di solito contengono molte diramazioni.

Presso i locali dei consumatori, i trasformatori di distribuzione trasformano la tensione di distribuzione nella tensione di livello di servizio usata direttamente nelle famiglie e negli impianti industriali. Di solito è 230 V o 400 V.

Schema unifilare dei principali componenti del sistema elettrico dalla generazione al consumo
Figura 3 – Schema unifilare diagramma a linea singola dei principali componenti del sistema elettrico dalla generazione al consumo (clicca per espandere)

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2. Apparecchiature della sottostazione

. Attrezzature della sottostazione

La sottostazione può includere le seguenti attrezzature:

  1. Trasformatore di potenza o trasformatore di distribuzione (a seconda del tipo di sottostazione)
  2. Interruttori di circuito
  3. Interruttori di sezionamento
  4. Isolatori
  5. Busbar
  6. Trasformatori di corrente
  7. Trasformatori di potenziale
  8. Protettori
  9. Relè di protezione
  10. Batterie di stazione
  11. Sistema di messa a terra

Un tipico schema di collegamento di una sottostazione è mostrato nella Figura 4.

Schema tipico di una sottostazione
Figura 4 – Schema tipico di una sottostazione

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2. Trasformatori1 Trasformatori

I trasformatori sono una parte essenziale di qualsiasi sistema elettrico. Sono disponibili in varie dimensioni e valori di tensione.

I trasformatori AC sono una delle chiavi per permettere la distribuzione diffusa dell’energia elettrica come la vediamo oggi. I trasformatori convertono efficientemente l’elettricità a una tensione più alta per la trasmissione a lunga distanza e la riportano a basse tensioni adatte all’uso da parte del cliente.

Trasformatore di sottostazione
Figura 5 – Trasformatore di sottostazione

I trasformatori di potenza di distribuzione effettuano la necessaria transizione di tensione dal livello di tensione di trasmissione (o sub-trasmissione) a un livello adatto alla distribuzione di energia. Un esempio di tale transizione sarebbe un passaggio da 66 kV a 11 kV.

Le dimensioni di un trasformatore di distribuzione variano tipicamente da 16 MVA a 63 MVA, con un peso compreso tra 20 e 50 tonnellate. Il trasformatore è tipicamente un’unità trifase.

I banchi trifase, costruiti da unità monofase, possono anche essere implementati per ragioni specifiche come le restrizioni di trasporto su strada o la richiesta di unità di ricambio monofase.

Il trasformatore di potenza è generalmente il componente singolo più costoso in una sottostazione di distribuzione primaria. Di seguito, vengono discusse le caratteristiche, la costruzione e la protezione dei trasformatori di distribuzione e la loro influenza sulle prestazioni dell’intero sistema di distribuzione.

L’attenzione è rivolta alle unità trifase isolate in olio minerale (a bagno d’olio), che costituiscono la maggior parte dei trasformatori di distribuzione nelle applicazioni soggette a IEC.

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2.2 Interruttori automatici

Gli interruttori automatici che controllano le alte tensioni e proteggono altre apparecchiature della sottostazione si trovano anche nelle sottostazioni elettriche. Molte sottostazioni esterne usano interruttori automatici in olio. Questo tipo di interruttore ha i contatti immersi in un olio isolante contenuto in un involucro metallico.

Un altro tipo di interruttori ad alta tensione è l’interruttore magnetico in aria in cui i contatti si separano in aria quando la linea elettrica è sovraccarica.

Le bobine magnetiche di blowout sono utilizzate per sviluppare un campo magnetico che causa l’arco prodotto quando i contatti si rompono. Quindi, l’arco si concentra in scivoli dove si spegne.

Una modifica di questo tipo è l’interruttore ad aria compressa. In questo tipo, un flusso di aria compressa si concentra sul contatto quando la linea elettrica viene aperta. L’aria compressa aiuta a spegnere l’arco che si sviluppa quando i contatti si aprono.

Si deve sottolineare che grandi archi sono presenti ogni volta che un circuito ad alta tensione viene interrotto. Questo problema non si riscontra in grande misura nei dispositivi di protezione a bassa tensione.

Interruttori ad alta tensione
Figura 6 – Interruttori ad alta tensione

Due tipi principali di interruttori basati su una costruzione sono gli interruttori con serbatoio in tensione e gli interruttori con serbatoio morto. Con gli interruttori in tensione, la superficie esterna della camera di rottura non è messa a terra ed è sotto l’influenza della tensione primaria, quindi “in tensione”.

Con gli interruttori in serbatoio morto, la superficie esterna della camera di rottura è messa a terra, quindi “morta”. Gli interruttori con serbatoio morto sono generalmente disponibili solo per installazioni esterne da 33 kV in su.

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2.3 Sezionatori

I sezionatori sono utilizzati per scollegare le apparecchiature elettriche dalle linee elettriche che le alimentano. Normalmente, i sezionatori non vengono azionati quando la corrente scorre attraverso di loro.

Se i sezionatori venissero aperti mentre la corrente scorre attraverso di loro si verificherebbe un problema di arco ad alta tensione.

Sono aperti principalmente per isolare le apparecchiature dalle linee elettriche per scopi di sicurezza.

La maggior parte dei sezionatori sono del tipo “air-break” che è simile nella costruzione agli interruttori a coltello. Questi interruttori sono disponibili per uso interno o esterno, sia manuali che a motore.

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2. Bus della sottostazione

.4 Bus di sottostazione

Il collegamento elettrico e fisico dei bus di sottostazione sono tipicamente governati da sicurezza, affidabilità, economia, manutenibilità e facilità di funzionamento.

Il bus è in realtà la struttura elettrica a cui sono collegate tutte le linee elettriche e i trasformatori. Generalmente, ci sono due tipi: all’aperto e chiusi. I bus chiusi sono usati in edifici o all’aperto dove lo spazio è prezioso.

Le strutture dei bus devono essere progettate per resistere ad alte correnti di cortocircuito e a grandi forze meccaniche come conseguenza.

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2.5 Surge Arresters

Le installazioni elettriche sono esposte a sollecitazioni di sovratensione causate da varie fonti. Per natura, le sovratensioni causate dalle fonti hanno caratteristiche diverse in termini di grandezza, frequenza, durata e tasso di crescita.

I fenomeni di sovratensione sono tradizionalmente classificati in tre categorie separate:

  1. Sovratensioni temporanee
  2. Sovratensioni da commutazione
  3. Sovratensioni da fulmine
Tipi di sovratensioni
Figura 7 – Tipi di sovratensioni

Nelle sottostazioni di distribuzione primaria, il principale dispositivo di protezione delle apparecchiature installate contro le sovratensioni è lo scaricatore di sovratensioni senza cappuccio all’ossido di zinco. La selezione dello scaricatore di sovratensioni adatto dipende da diversi fattori.

I produttori di scaricatori di sovratensioni hanno pubblicato linee guida ed esempi di selezione per dimostrare e sostenere il processo di selezione.

Lo scaricatore di sovratensioni deve resistere alle sovratensioni continue e temporanee della frequenza di alimentazione sperimentate nel sistema durante il funzionamento normale, i guasti del sistema e le operazioni di commutazione. Gli scaricatori di sovratensioni devono anche essere in grado di limitare le sovratensioni al di sotto del livello di resistenza specificato dell’attrezzatura nell’installazione.

Un guasto a terra monofase o bifase porta a una situazione temporanea di sovratensione nella fase o nelle fasi sane e anche nel neutro dei trasformatori di potenza collegati a Y. L’ampiezza è determinata dalle condizioni del sistema di messa a terra e la durata è determinata dalle impostazioni della protezione (tempo di eliminazione del guasto).

Gli scaricatori devono essere in grado di resistere alle sollecitazioni termiche durante queste situazioni.

Scaricatori con terminale inferiore a terra (144kV)
Figura 8 – Parafulmini con terminale inferiore a terra (144kV)

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2.6 Isolatori e conduttori

Tutte le linee di trasmissione di energia devono essere isolate per evitare pericoli per la sicurezza. Grandi stringhe di isolatori sono usate nelle sottostazioni e in altri punti lungo il sistema di distribuzione dell’energia per isolare i conduttori che trasportano corrente dai loro supporti in acciaio o da qualsiasi altra attrezzatura montata a terra.

Gli isolatori possono essere fatti di porcellana, gomma o materiale termoplastico.

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2.7 Relè di protezione

I relè di protezione forniscono un metodo accurato e sensibile per proteggere le apparecchiature di distribuzione elettrica da cortocircuiti e altre condizioni anomale.

I relè di sovracorrente sono utilizzati per causare la rapida apertura delle linee elettriche quando la corrente supera un valore predeterminato. Il tempo di risposta dei relè è molto importante per proteggere le apparecchiature dai danni.

Alcuni tipi comuni di guasti che possono essere protetti dai relè sono i cortocircuiti linea-terra, i cortocircuiti linea-linea, i doppi cortocircuiti linea-terra e i cortocircuiti linea trifase. Ognuna di queste condizioni è causata da condizioni di circuito difettoso che assorbono una corrente anormalmente elevata (corrente di guasto) dalle linee elettriche.

I relè di protezione sono dispositivi elettronici intelligenti avanzati alimentati esternamente (IED), chiamati anche terminali di alimentazione.

In un moderno quadro primario, le funzioni dedicate alla baia come la protezione, il controllo e la misurazione vengono eseguite con terminali di alimentazione. Il terminale di alimentazione esegue le funzioni di protezione assegnate, esegue il controllo locale e remoto dei dispositivi di commutazione, raccoglie, elabora e visualizza i dati misurati e indica lo stato dei dispositivi di commutazione.

Schemi di protezione delle sbarre
Figura 9 – Pannello di protezione delle sbarre con relè MICOM

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2.8 Fusibili

Siccome le linee elettriche sono spesso in cortocircuito, vengono utilizzati vari dispositivi di protezione per prevenire danni sia alle linee elettriche/apparecchiature che al personale. Questi dispositivi di protezione devono essere progettati per gestire tensioni e correnti elevate.

Per proteggere le linee elettriche ad alta tensione si possono usare sia fusibili che interruttori automatici.

I fusibili ad alta tensione (quelli usati per oltre 600 volt) sono fatti in diversi modi. Un fusibile a espulsione ha un elemento che si fonde e si vaporizza quando è sovraccarico, causando l’apertura della linea elettrica collegata in serie con esso.

Fusibile a espulsione
Figura 10 – Fusibile a espulsione

I fusibili a liquido hanno un contenitore metallico riempito di liquido, che contiene l’elemento fusibile. Il liquido agisce come mezzo di soppressione. Quando l’elemento fusibile si fonde a causa di una corrente eccessiva in una linea elettrica, l’elemento viene immerso nel liquido per estinguere l’arco.

Questo tipo di fusibile riduce il problema dell’arco ad alta tensione.

Un fusibile di materiale solido è simile a un fusibile liquido, tranne che l’arco si estingue in una camera riempita di materiale solido. Di solito, i fusibili ad alta tensione nelle sottostazioni sono montati adiacenti ai sezionatori a rottura d’aria. Questi interruttori forniscono un mezzo per commutare le linee elettriche e disconnetterle a scopo di riparazione.

Il fusibile e l’involucro dell’interruttore sono solitamente montati vicino alle linee elettriche aeree in una sottostazione.

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3. Posizione della sottostazione

Le sottostazioni di distribuzione dovrebbero essere situate il più vicino possibile al carico da servire. Inoltre, il requisito di carico futuro dovrebbe essere pianificato accuratamente.

Il livello di tensione di distribuzione è anche una considerazione molto importante. Generalmente, più alta è la tensione di distribuzione, più distanti possono essere collocate le sottostazioni. Tuttavia, diventano più grandi in capacità e in numero di clienti serviti man mano che la distanza aumenta.

cantiere esterno a 123 kV con doppie sbarre, layout in linea
Figura 11 – Esempio di cantiere esterno a 123 kV con doppie sbarre, layout in linea. Le sbarre sono tubolari.

La decisione dell’ubicazione della sottostazione deve essere basata sull’affidabilità del sistema e su fattori economici. Tra questi fattori ci sono:

  • La disponibilità del terreno,
  • Costi operativi stimati,
  • Tasse,
  • Leggi locali di zonizzazione,
  • Fattori ambientali e
  • Potenziale opinione pubblica.

Si considera anche il fatto che la dimensione del conduttore aumenta all’aumentare del carico fornito. Il livello di tensione primaria influisce non solo sulla dimensione dei conduttori, ma anche sulla dimensione dell’attrezzatura di regolazione, sull’isolamento e sulle altre caratteristiche dell’attrezzatura.

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