alta scuola politecnica progetto ... - aeit sez. di … · - sezione/peso della catenaria ... linea...
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ALTA SCUOLA POLITECNICA
Progetto“ITALIAN HIGH SPEED RAILWAYS”
SISTEMA ENERGIAMILANO 23 Novembre 2005
IMPIANTI DI TRAZIONE ELETTRICA
HANNO LA FUNZIONE DI RENDERE DISPONIBILE AL MEZZO DI TRAZIONE L’ENERGIA ELETTRICA PER LA LOCOMOZIONE
LE CARATTERISTICHE DELLA TRAZIONE ELETTRICA CHE LA CONTRADDISTINGUONO DA ALTRE FORME DI TRAZIONE (A VAPORE, SUPERATA, ED ENDOTERMICA) SONO:
• TUTELA DELL’AMBIENTE (SPECIALMENTE PER I TRATTI URBANI)
• ECONOMICITÀ (A PARTIRE DA DETERMINATI VOLUMI DI TRAFFICO)
• POTENZE INSTALLABILI A BORDO• PIÙ ELEVATE CAPACITÀ DI TRASPORTO
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SISTEMI DI TRAZIONE ELETTRICA
GLI IMPIANTI DI TRAZIONE ELETTRICA NEL LORO INSIEME FORMANO IL SISTEMA DI TRAZIONE ELETTRICA
• SISTEMA A 3 kV a corrente continuaApplicato alla rete tradizionale
• SISTEMA A 2x25 kV a corrente alternataApplicato alla rete AV/AC
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IMPIANTI COMPONENTI DEI SISTEMI DI TRAZIONE ELETTRICA
• LINEE DI ALIMENTAZIONE AD ALTA TENSIONE
• SOTTOSTAZIONI DI TRASFORMAZIONE E DI TRASFORMAZIONE/CONVERSIONE
• LINEA DI CONTATTO
• IMPIANTI DI TELECOMANDO
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LINEE DI ALIMENTAZIONE AD ALTA TENSIONE
HANNO LA FUNZIONE DI TRASPORTARE L’ENERGIA ELETTRICA ALLE SOTTOSTAZIONI ELETTRICHE (SSE) DI TRASFORMAZIONE (SISTEMI a ca) E TRASFORMAZIONE/CONVERSIONE (SISTEMI a cc) POSTE LUNGO LE LINEE FERROVIARIE.
• Circa 10.000 km di elettrodotti in AT (a 66, 132, 150 e 220 kV)
• Interconnessioni con GRTN (Gestore della Rete di Trasmissione Nazionale), Enel Distribuzione ed altri gestori, produttori, distributori e grandi utilizzatori di energia elettrica
66 kV km 2.975
132 kV km 5.309
150 kV km 868
220 kV km 11
Totale km 9.163
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SOTTOSTAZIONI ELETTRICHE DI TRASFORMAZIONE/CONVERSIONE
HANNO LA FUNZIONE DI TRASFORMARE LA TENSIONE DELLA LINEA AT “PRIMARIA” E DI RADDRIZZARLA PER OTTENERE IL RICHIESTO VALORE DI CORRENTE IN TENSIONE CONTINUA
SONO PERTANTO COSTITUITE DA UNA SEZIONE DI TRASFORMAZIONE E DA UNA SUCCESSIVA SEZIONE DI RADDRIZZAMENTO
I GRUPPI RADDRIZZATORI (TECNOLOGIA AL SILICIO) SONO DI POTENZA UNITARIA PARI A 2,0 3,6 O 5,4 MW, IN UNA SSE CI POSSONO ESSERE 1, 2 O 3 GRUPPI
Valori di tensione primaria150-132-66 kV
(alcune SSE sono alimentate direttamente dalla rete distributrice MT a 45-28-23 kV)
Tensione secondaria3 kV cc
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SOTTOSTAZIONI ELETTRICHE DI TRASFORMAZIONE/CONVERSIONE
Quantità
POTENZA GRUPPI NUMERO SSE NUMERO GRUPPI POTENZA TOTALE
(MW) (MW)
2,0 34 67 1343,6 208 343 12355,4 109 208 1123
TOTALI 351 618 2492
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SCHEMA ELETTRICO DI UNA SSE DI TRASFORMAZIONE/CONVERSIONE
Rappresentazione
schematica di un
impianto di SSE
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LINEA DI CONTATTO
LA LINEA DI CONTATTO RENDE DISPONIBILE L’ENERGIA AL TRENO CHE LA PRELEVA ATTRAVERSO UN ORGANO DI CAPTAZIONE (PANTOGRAFO)
È COSTITUITA DA
• SOSTEGNI
• SOSPENSIONI
• CONDUTTURE ELETTRICHE (CATENARIA: CORDA E FILO DI CONTATTO)
• CIRCUITO DI RITORNO
• CIRCUITO DI PROTEZIONE
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EVOLUZIONE DELLE CARATTERISTICHE
Fino al 1960 v < 150 km/hSezione 320 mmq
n.1 corda portante fissa da 120 mmq Cu con tiro di 1075 daN a 15°C n.2 fili di contatto da 100 mmq Cu regolati ciascuno a 750 daN
Dal 1960 v < 200 km/hSezione 320 mmq
n.1 corda portante regolata da 120 mmq Cu con tiro di 1375 daNn.2 fili di contatto da 100 mmq Cu regolati ciascuno a 1000 daN
Dal 1980 Aumento traffico v < 200 km/hSezione 440 mmq o maggiore
n.2 corde portanti regolate da 120 mmq Cu con tiro di 1125 daNn.2 fili di contatto da 100 mmq Cu regolati ciascuno a 1000 daN
SISTEMA DI ALIMENTAZIONE 3 kVcc v ≤ 200 km/h
F i l i d i c o n t a t t o
C o r d e p o r t a n t i
C o r d e d i t e r r a
Caratteristiche della linea
Linea di contatto Corda portante Fili di contatto
Velocità massima[km/h]
Intensitàdel traffico
Sezione del rame[mm2]
numero sezione[mm2]
tiro[daN]
numero sezione[mm2]
tiro[daN]
200 bassa 320 1 120 1375 2 100 1000200 media 440 2 120 1125 2 100 1000200 alta 610 2 155 1000 2 150 1125
Parametri elettrici e caratteristiche geometriche della catenariaPotenza SSE: 2 x 3.6/5.4 MW SSE ogni 20/30 Km
Sostegni: tipo LS a traliccetto in piena lineatipo “MANNESMAN” nelle stazioni
Sospensioni: mensola orizzontale
Circuito di protezione: n.2 corde di terra da 125 mmqin alluminio
EVOLUZIONE SISTEMA IN CC PER AV (ROMA–FIRENZE DD)
VelocitVelocitàà massima 250 km/hmassima 250 km/hDal 1976
Sezione 460 mmqn.1 corda portante regolata da 160 mmq Cu-Cd con tiro di 2750 daNn.2 fili di contatto da 150 mmq Cu regolati ciascuno a 1500 daN
Dal 1990Sezione 610 mmq
n.2 corde portanti regolate da 155 mmq Cu con tiro di 1875 daN e con Yn.2 fili di contatto da 150 mmq Cu regolati ciascuno a 1500 daN
Dal 1999Sezione 540 mmq
n.2 corde portanti regolate da 120 mmq Cu con tiro di 1500 daNn.2 fili di contatto da 150 mmq Cu regolati ciascuno a 1875 daN
SISTEMA DI ALIMENTAZIONE a 3 kVcc v ≤ 250 km/h
Parametri elettrici e caratteristiche geometriche della catenariaPotenza SSE: 3x5,4 MW SSE ogni 16 Km
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Sostegni: portali a traliccioSospensioni: a puntone inclinatoCircuito di protezione: n.2 corde di terra
per ambedue i binari
Caratteristiche della linea Linea di contatto Corda portante Fili di contatto
Velocità massima [km/h]
Intensità del traffico
Sezione del rame [mm2]
numero sezione[mm2]
tiro [daN]
numero sezione [mm2]
tiro [daN]
250 Media /Alta 540 2 120 1500 2 150 1875
IL PROBLEMA DELLO SQUILIBRIOIL PROBLEMA DELLO SQUILIBRIO
LL’’ASSORBIMENTO DI POTENZA MONOFASE DA IMPIANTI TRIFASI ASSORBIMENTO DI POTENZA MONOFASE DA IMPIANTI TRIFASI DETERMINA LA PRESENZA DI TENSIONI DISSIMMETRICHEDETERMINA LA PRESENZA DI TENSIONI DISSIMMETRICHE
COMPONENTE INVERSA DI TENSIONECOMPONENTE INVERSA DI TENSIONEVi Vi ≈≈ PP1f 1f / P/ Pcccc
LA COMPONENTE INVERSA DETERMINA PER LE LA COMPONENTE INVERSA DETERMINA PER LE APPARECCHIATURE CONNESSE SULLA STESSA RETEAPPARECCHIATURE CONNESSE SULLA STESSA RETE
MAL FUNZIONAMENTO DEI CONVERTITORIMAL FUNZIONAMENTO DEI CONVERTITORISURRISCALDAMENTO DEI MOTORISURRISCALDAMENTO DEI MOTORI
pertantopertantoLL’’ELETTRODOTTO CHE ALIMENTA LE SSE AV ELETTRODOTTO CHE ALIMENTA LE SSE AV ÈÈ DIVERSO DA DIVERSO DA QUELLO CHE ALIMENTA LE LINEE TRADIZIONALIQUELLO CHE ALIMENTA LE LINEE TRADIZIONALI
SCHEMA DI SSE : USO DI TRASFORMATORI MONOFASI INSERITI SCHEMA DI SSE : USO DI TRASFORMATORI MONOFASI INSERITI A V SU LINEA TRIFASEA V SU LINEA TRIFASE
IL CONCETTO DI SISTEMA INTEGRATOIL CONCETTO DI SISTEMA INTEGRATO
IL SISTEMA DI ALIMENTAZIONE DEL 2X25 IL SISTEMA DI ALIMENTAZIONE DEL 2X25 kVkV ÈÈ UN SISTEMA CHE UN SISTEMA CHE PREVEDE UNA STRETTA INTEGRAZIONE FRA LPREVEDE UNA STRETTA INTEGRAZIONE FRA L’’ESERCIZIO DELLA ESERCIZIO DELLA LINEA DI CONTATTO, DELLE SSE E DEI PP, DELLA LINEA AT E LINEA DI CONTATTO, DELLE SSE E DEI PP, DELLA LINEA AT E DELLE INTERCONNESSIONI DELLE INTERCONNESSIONI
AD ESEMPIO UN SEMPLICE AD ESEMPIO UN SEMPLICE ““SPOSTAMENTOSPOSTAMENTO”” DEL TRATTO DEL TRATTO NEUTRO ATTIVO LUNGO LA LINEA HA CONSEGUENZE NEUTRO ATTIVO LUNGO LA LINEA HA CONSEGUENZE SULLSULL’’ASSETTO DEI SEZIONAMENTI DELLA LINEA DI CONTATTO, ASSETTO DEI SEZIONAMENTI DELLA LINEA DI CONTATTO, DELLE SSE E DEI PP E SUGLI SQUILIBRI DI CARICO SULLE LINEE DELLE SSE E DEI PP E SUGLI SQUILIBRI DI CARICO SULLE LINEE AT, CON VARIAZIONI DEI DISTURBI CAUSATI NEI NODI DI AT, CON VARIAZIONI DEI DISTURBI CAUSATI NEI NODI DI INTERCONNESSIONEINTERCONNESSIONE
L’ALIMENTAZIONE DEGLI IMPIANTI AUSILIARI LFM
Con il 2X25 kV-50 Hz è possibile disporre di energia elettrica in qualunque punto lungo la linea derivandosi semplicemente dal feeder attraverso trasformatori da palo protetti da fusibile e sezionatore
Sono alimentati da questa fonte:impianti di illuminazioneimpianti f.m.impianti di emergenzaimpianti di segnalamentoriscaldamento deviatoistazioni radio base del GSM-runità acquisizione dati per diagnostica binario
SISTEMA ELETTRICO DI ALIMENTAZIONE LINEA A.T.
LL’’ALLACCIAMENTO ALLA RETE DI TRASMISSIONE NAZIONALEALLACCIAMENTO ALLA RETE DI TRASMISSIONE NAZIONALE
Note: Schema semplificato Impiantistica di misura e Adm di Enel Distribuzione
Linea A.T. di RFI
Sbarra per RFI a 150 kV
Autotrasformatore dedicato 380/150 kVP=250 MVA
STAZIONE TERNA380/150 kV
COLLEGAMENTO DI RISERVA
Doppia sbarra a 380 kV di stazione
Doppia sbarra a 150 kV di stazione
CARATTERISTICHE ELETTRODOTTO
•Conduttore di fase :
aereo in ACSR diametro 31,5 mm (In = 850 A)
cavo 3x1x1000 mmq (Al ARG7HE)
• Fune di guardia :
in acciaio zincato ø 10,5 o 11,5 mm
• Isolatori :
in vetro, a cappa e perno e mensole isolate
• Smorzamento :
smorzatori di vibrazione stockbridge
• Sostegni :
a traliccio, a semplice e doppia terna, autostrallati
TENSIONE DI ALIMENTAZIONE ALL’ARCHETTO
Tensione minima non permanente
Tensione minima
permanente
Tensione nominale
Tensione massima
permanente
Tensione massima
non permanente
Umin2
(V)Umin1
(V)Un
(V)Umax1
(V)Umax2
(V)
2 00017 500
2 20019 000
3 000 cc25 000 ca
3 60027 500
3 90029 000
Norma CENELEC EN 50163
Il tempo in cui la tensione è compresa tra Umin1 e Umin2 non deve essere superiore a 2 minuti.Il tempo in cui la tensione è compresa tra Umax1 e Umax2 non deve essere superiore a 5 minuti.La tensione della barra di distribuzione nella sottostazione con tutti gli interruttori di linea aperti non deve superare Umax1.
LE SCELTE DEL SISTEMA 2 X 25 LE SCELTE DEL SISTEMA 2 X 25 kVkV
LL’’ALIMENTAZIONE 2 X 25 ALIMENTAZIONE 2 X 25 kVkVDELLA LINEA DI CONTATTODELLA LINEA DI CONTATTOÈÈ REALIZZATA TRAMITE:REALIZZATA TRAMITE:
–– SSE CON TRASFORMATORI SSE CON TRASFORMATORI 150/25/150/25/--25 25 kVkV•• PASSO MEDIO 50 kmPASSO MEDIO 50 km•• P=2 X 60 MVAP=2 X 60 MVA
–– PP CON AUTOTRASFORMATORI CON PRESA CENTRALE PP CON AUTOTRASFORMATORI CON PRESA CENTRALE +25/0/+25/0/--25 25 kVkV
•• PASSO MEDIO 12kmPASSO MEDIO 12km•• P=2 X 15 MVAP=2 X 15 MVA
RIPARTIZIONE TEORICA CORRENTI DEL 2X25 RIPARTIZIONE TEORICA CORRENTI DEL 2X25 kVkV
- 25 kV FEEDER
+ 25 kV L.C.
Cella 1(libera)
Cella 2(libera)
Cella 3(occupata)
50% 50%
25%
25%
50% 50% 25% 75% 25%
100%50%
50% 50%
50%
CARATTERISTICHE DELLO SCHEMA DI POTENZA DI SSECARATTERISTICHE DELLO SCHEMA DI POTENZA DI SSE
ALIMENTAZIONE AT IN ENTRAALIMENTAZIONE AT IN ENTRA--ESCIESCIEMISEZIONAMENTO SBARRA AT ED MTEMISEZIONAMENTO SBARRA AT ED MTINSERZIONE DEI TRAFO A V CON POSSIBILITINSERZIONE DEI TRAFO A V CON POSSIBILITÀÀ DI CAMBIO FASIDI CAMBIO FASIPRESA CENTRALE DEL TRAFO COLLEGATO AL BINARIO ED PRESA CENTRALE DEL TRAFO COLLEGATO AL BINARIO ED ALLA MAGLIA DI TERRAALLA MAGLIA DI TERRASEZIONATORI ED INTERRUTTORI LATO 25 SEZIONATORI ED INTERRUTTORI LATO 25 kVkV BIPOLARI BIPOLARI SERVIZI AUSILIARI DA FEEDER (SERVIZI AUSILIARI DA FEEDER (--25 25 kVkV): 2 TRAFO DA 50 ): 2 TRAFO DA 50 kVAkVA(UNO DI RISERVA) DA SBARRA DI SSE E/O DA LINEA(UNO DI RISERVA) DA SBARRA DI SSE E/O DA LINEA
DETERMINAZIONE CARATTERISTICHE MECCANICHE LDC
Simulazione su modello matematicoIndividuazione di tipologie di catenarie con comportamenti equivalenti dal punto divista della captazione intesa come forza di contatto tra un pantografo preso ariferimento e diverse catenarieVariabili prese in considerazione:
- pendini e passo di pendinatura- ripartizione dei tiri tra corda/e e filo/i- sezione/peso della catenaria- lunghezza delle campate- valore della freccia
Campagna di prove in linea con pantografoattrezzato e rilievi a terra
Individuazione della migliore catenaria
LINEE ALTA VELOCITÀ /ALTA CAPACITÀ
VelocitVelocitàà massima 300 km/hmassima 300 km/hSistema di alimentazione 2x25 kV 50 Hz
Sezione 270 mmqn.1 corda portante regolata da 120 mmq Cu con tiro di 1625 daNn.1 filo di contatto da 150 mmq Cu regolato a 2000 daNn.1 feeder di 22.8 mm di diametro in corda di alluminio-acciaio
alimentato a – 25 kV
ConfigurazioneSostegni: pali tipo LS flangiati alla baseSospensioni: a puntone inclinato in lega di alluminioFeeder: posato dal lato esterno al binarioCircuito di terra: n.1 corda di terra da 125 mmq in Al posata sui pali ed
n.1 corda da 95 mmq in Cu interrata
SISTEMA DI ALIMENTAZIONE 2x25 kV - 50 Hz v ≤ 300km/h
Parametri elettrici e caratteristiche geometriche della catenariaPotenza SSE: 2 x 60 MVA SSE ogni 50 Km
Sostegni: pali tipo LS flangiati alla baseSospensioni: a puntone inclinato in lega di alluminioFeeder: posato dal lato esterno al binarioCircuito di terra: n.1 corda di terra da 125 mmq in Al posata sui pali
n.1 corda da 95 mmq in Cu interrata
Linea di contatto Corda portante Fili di contatto Feeder alimentato a - 25Kv
Sezione del rame [mm2]
numero sezione [mm2]
Cu
tiro [daN]
numero sezione [mm2]
Cu
tiro [daN]
numero diametro [mm]
corda Al-acciao
270 1 120 1625 1 150 2000 1 22,8
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CARICHI AGENTI SUI SOSTEGNI
Spinta del vento agente sulle funi e sui fili, con o senzamanicotto di ghiaccio,Spinta del vento agente sul sostegno senza incrostazionidi ghiaccio,Spinta del vento agente sugli isolatori e sugli accessoridi linea senza incrostazioni di ghiaccio,Componenti orizzontali dei tiri delle funi e dei fili nelladirezione della campata,Componenti verticali dei tiri delle funi e dei fili,Peso degli isolatori e degli apparecchi ed accessorisenza incrostazioni di ghiaccio,Peso degli elementi costituenti i sostegni senzaincrostazioni di ghiaccio.
COMPONENTI CATENARIA
Feeder
Corda di terra
Filo di contatto
Fune portante
Sospensione catenaria
Isolatori
Tirantino di poligonazione
RIFERIMENTO NORMATIVE EUROPEE
Norme CENELECEN 50119 “Costruzione linea aerea di contatto”EN 50122-1 ”Provvedimenti di protezione concernenti la sicurezza
elettrica e la messa a terra”EN 50149 “Rame e leghe di rame per fili di contatto sagomati”EN 50124-1 “Coordinamento dell’isolamento”EN 50151 “Isolatori compositi”EN 50345 “Braccetto isolato per linea di contatto”EN 50317 “Sistema di captazione Misura dell’interazione tra
pantografo e catenaria”EN 50318 “Sistema di captazione Validazione della simulazione
dell’interazione tra pantografo e catenaria”EN 50367 “Criteri per l’interazione tra pantografo e catenaria (per il
libero accesso)”EN 50163 “Limiti di tensione e frequenza richiesti per
l’interoperabilità”
PRINCIPALI PROBLEMI E RELATIVE SOLUZIONI
• Definizione delle prestazioni connesse con ilsistema di alimentazione
• Determinazione del profilo del pantografointeroperabile
• Condivisione dei metodi di valutazione dellaqualità della captazione
• Configurazione della zona neutra di separazionedelle fasi
SISTEMI AMMESSI PER L’ALIMENTAZIONE DELLE LINEE AV CON VELOCITÀ v ≥ 250 Km/h
Sistema ottimale: 25 kV - 50 Hz
Altri sistemi ammessi:
• 15 kV - 16,7 Hz nei paesi che già lo utilizzano• 3 kV cc in Italia, Spagna e Polonia, sulla linea
esistente (Rm-Fi DD) e su tratti delle nuove lineeper velocità fino a 250 km/h
PROFILO PANTOGRAFO INTEROPERABILE
E’ stato definito un profilo unico
del pantografo interoperabile,
valido per tutti i sistemi di alimentazione, sia in ca che in cc,
con larghezza di 1600 mm
PROFILO DELLA TESTA DELL’EURO-PANTOGRAFO
1200
R=10
000
Centro del raggio R=10000
800
1) Corno in materiale isolante
2) Lunghezza minima degli striscianti
3) Lunghezza della proiezione del corno in materiale isolante
4) Campo di lavoro della testa del pantografo
5) Larghezza della testa del pantografo
Fig. 1 - Profilo della testa del pantografo
R=40
0
200
1600
10
R=150
300
30°
CRITERI DI VALUTAZIONE DELLA QUALITÀ DI CAPTAZIONE
Sono definiti i valori della forza di contatto catenaria-pantografo, ovvero della spinta del pantografo, in funzione dellavelocità, nei differenti sistemi di alimentazione in ca e in ccSono definiti i criteri ottimali di valutazione della qualità dellacaptazione, ovvero dell’interazione catenaria-pantografo, in alternativa, mediante:• misura della forza media (Fm) di contatto e della
dispersione;• misura degli archi, o dei distacchi, in funzione del tempo di
captazione.
INDICI DI QUALITÀ
σ ≤ 0,3 Fm
NQ = ( Σtarc/ttot ) x 100
0,14 % per corrente alternata0,20 % per corrente continua
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
V (Km/h)
Fm (N
)INTERAZIONE CATENARIA PANTOGRAFO
Fm in funzione della velocità nei sistemi in c.a.
ZONA NEUTRA DI SEPARAZIONE DELLE FASI NEL SISTEMA A 25 kV 50 Hz
Una zona neutra lunga almeno 402 m (funzione della lunghezza massima ammessa per i treni)
oppure
Due zone neutre consecutivedi lunghezza inferiore a 142 m
(considerando la distanza tra 3 pantografi consecutivi)
ZONA NEUTRA DI SEPARAZIONE DELLE FASI NEL SISTEMA A 25 kV 50 Hz
fase 1 fase 2
fase 2fase 1
Zona neutra lunga
Zona neutra doppia
Distanza tra tre pantografi consecutivi
D > 402 m
D < 142 m
143 m < L < 400 m