Fenomeni di accoppiamento tra fasi e terreno

[alfo84]

Salve, come ho detto nel topic di benvenuto sto portando avanti un progetto di tesi riguardo i sistemi elettrici di alimentazione per l'alta velocità ferroviaria. Il prof mi ha fatto capire che dovrò soffermarmi in particolare sui problemi legati ai fenomeni di di disturbo (interferenze) causate proprio da questi sistemi di alimentazione per l'alta velocità. Mi piacerebbe avere qualche informazioni in più riguardo i fenomeni di accoppiamento tra fasi elettriche in presenza del terreno , potreste consigliarmi qualche articolo
oppure darmi qualche dritta riguardo a ciò. Un saluto a tutti voi, buona giornata

[cf69]

Salve, un argomento molto interessante da sviluppare, qui sul forum penso che potrai avere una mano dall'autore del seguente topic (che ti invito a leggere): topic.asp?TOPIC_ID=7261 ; puoi anche contattarlo via messaggio privato o mail.

Oppure attendiamo un suo intervento qui nel tuo topic.

[Fabrizio]

Essenzialmente lo studio dei fenomeni di accoppiamento fra fasi e terreno in una linea elettrica si tratta con il metodo delle cariche immagine. Questo permette di determinare le capacità fra le fasi e il terreno e fra le fasi. Per quanto riguarda il calcolo delle capacità su configurazioni comuni, quali ad esempio le linee monofase a 25 kV per l'alimentazione delle reti AV e le linee di trasmissione e distribuzione trifase in cavo in aria si assumono, generalmente, valori di capacità per kilometro di linea (dipendenti dalla configurazione adottata), generalmente accettati, anche se possono essere calcolati in casi particolari. Tutti questi metodi di calcolo si basano essenzialmente sull'uso del metodo delle cariche immagine, che si sviluppa essenzialmente a partire dal calcolo del campo elettrico generato dal filo indefinito. Vari metodi numerici sono poi usati per affinare il calcolo. Per studiare poi il comportamento dell'intera linea si suddivide la stessa in più tronconi, ciascuno dei quali rappresentato da un quadripolo comprendente due capacità (poste fra fase e riferimento), un induttanza e una resistenza poste nel senso di attraversamento della corrente. Non sono procedure semplici da illustrare e sono argomenti specialistici trattati da apposti enti di ricerca, questo che ho detto è solo un primo indice di come si procede per arrivare al calcolo della capacità e degli altri parametri che caratterizzano le linee. In pratica sono usati metodi di elaborazione numerica per iterare a affinare i procedimenti onde ottenere risultati approssimati che possano essere utili allo studio delle linee in AT. Essenzialmente ciò che ha maggior rilievo nello studio delle linee AT sono gli effetti capacitivi e quelli induttivi, meno importanza hanno gli effetti resistivi, prevalenti invece nello studio dei sistemi di distribuzione in bassa tensione. Il metodo delle cariche immagine essenzialmente prevede di disporre nello spazio delle cariche elettriche (nel caso delle linee elettriche saranno distribuzioni continue di carica) nei punti ove è la sezione del conduttore e porre dei piani indefiniti a potenziale fisso (di solito assunto nullo) dove si trova il terreno o superfici equipotenziali. Questi piani equipotenziali rappresentano le linee speculari rispetto alle quali si "specchiano" le cariche reali, ottenendo cosi della cariche fittizie, dette appunto "cariche immagine", con il metodo di sovrapposizione degli effetti (iterato) si calcola quindi il campo elettrico nello spazio e da li si possono ottenere i valori di capacità.

Per quanto riguarda invece i fenomeni di disturbo, si parte col dire che tutto questo nasce dal fatto che la corrente in uso sulle linee AV è alternata. Quando una corrente elettrica attraversa un conduttore genera un campo elettromagnetico. Campi elettromagnetici variabili nel tempo sono in grado di indurre forze elettromotrici (su conduttori). Da qui che nel caso di corrente continua, il campo magnetico generato è essenzialmente stazionario, quindi non in grado di indurre forze elettromotrici su conduttori fermi (è invece in grado di indurre forze elettromotrici su conduttori in movimento, proprio perché questi ultimi si muovono e quindi vedono il campo magnetico come variabile). Nel caso della corrente alternata, invece, la corrente è variabile nel tempo, di conseguenza è prodotto un campo elettromagnetico variabile nel tempo che induce forze elettromotrici su conduttori fermi. Questo origina i "disturbi", ovvero il fatto che una corrente alternata circola nei cavi di una linea elettrica può indurre forze elettromotrici (tensioni) su conduttori di linee elettrice vicine. Questo è negativo soprattutto per il segnalamento, poiché i valori di tensione indotti possono essere dello stesso ordine di grandezza del valore di tensione caratteristico del segnale, generando quindi fenomeni di disturbo (anche la frequenza a cui avvengono i fenomeni è rilevante).

Nel caso delle linee AV 2x25 kV il fenomeno del disturbo elettromagnetico viene attenuato usando una particolare configurazione, detta appunto 2x25 kV. La tensione nominale del sitema è 50 kV, si usano trasformatori a presa centrale, aventi una connessione comune a 0V e due connessioni a -25 kV e + 25 kV. Al punto 0V è collegata la rotaia, al punto +25 kV è collegata la linea di contatto e al punto -25 kV è collegato il feeder. Quando nessun treno impegna la sezione di linea la corrente viene trasmessa lungo la linea a 50 kV tramite la linea di contatto e il feeder, entrambi isolati in aria e posti a distanza relativamente piccola. Questo fa si che nello spazio ci siano due conduttori percorsi da corrente uguale in sensi opposti, con il risultato che, ponendosi a distanza sufficientemente alta rispetto alla distanza tra i due conduttori, il campo magnetico risulta nullo (somma vettoriale di un contributo positivo delle linea di contatto e un eguale contributo negativo del feeder). In questo modo, essendo il campo elettromagnetico nullo (quasi), i disturbi di tipo elettromagnetico sono attenuati.
Quando un treno impegna la sezione di linea, la corrente fluisce attraverso la line di contatto e i binari (due) e il treno è sottoposto alla tensione di 25 kV. In questo caso la configurazione geometrica è meno simmetrica che nel caso precedente (un conduttore percorso da corrente in un senso e due conduttori percorsi da 1/2 della corrente in senso opposto) ma soprattutto correnti parassite si richiudono attraverso il terreno (soprattutto in condizioni climatiche umide), il che fa si che le correnti non siano più eguali ed opposte tra loro (oltre che ad essere fisicamente più distanti i conduttori) e questo non permette l'annullamento vettoriale del campo elettromagnetico generato nello spazio. Tanto più dissimmetrica è la situazione tanto più il campo magnetico generato è forte. In questo caso si possono avere elevati disturbi sulle linee elettriche adiacenti.

[Fabrizio]

Ecco, Fabio ha ritrovato il topic in cui si parlava di questo problema , io non mi ricordavo più di averne già parlato


Ecco un esempio di applicazione del metodo delle immagini: in figura il corpo superiore è quello che genera il campo (sorgente), il terreno è la superficie equipotenziale rispetto alla quale si "specchia", il corpo inferiore è l'immagine. In questo caso si tratta di un corpo conduttore di lunghezza finita, nel caso di linee elettriche il corpo sarà di lunghezza indefinita

Immagine:

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Immagine:

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Si calcola il campo elettrico prodotto da immagine e sorgente, poi si usa il metodo di sovrapposizione degli effetti. Noto il campo elettrico, sarà possibile il calcolo della capacità. Se ci sono più conduttori, altri corpi equipotenziali (pali) la situazione si fa più complessa, ma il metodo è analogo.


Quadripoli equivalenti della linea AT (versione semplificata con un solo condensatore)
Immagine:

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Queste, tuttavia, sono solo poche basi, praticamente una nullità rispetto al vastissimo e complicato (e talvolta sconosciuto) campo di studio dei fenomeni elettromagnetici. Sono indicazioni per lo più teoriche, giusto per capire da dove nasce il tutto, poi si sono sviluppate svariate tecniche e teorie, soprattutto numeriche, per la risoluzione di problemi complessi, ma sono cose altamente specialistiche.

Ciao

Fabrizio

[cf69]

Ciao Fabrizio, ti aspettavo..... :geek:

[Fabrizio]

Ciao Fabrizio, ti aspettavo..... :geek:

Grazie Fabio, non mi ricordavo proprio più di aver parlato di questo argomento

[cf69]

Si vede che ho buona memoria..... visto poi che sono argomenti a me congeniali, mi ricordo subito chi li ha inseriti; l'unico "problema" è ritrovarli tra le pagine del forum.
Volevo comunque rinnovarti i complimenti per la tua capacità di esposizione: chiara, fluente e precisa.
Vediamo cosa seve ad Alfonso, io comunque seguirò con interesse la discussione.

[alfo84]

Grazie mille Fabrizio e grazie anche a te Fabio.
Ho trovato questo forum proprio grazie all'articolo di fabrizio sull' AV. Dalle informazioni di Fabrizio ho capito che è un argomento che entrando più nei dettagli senza fare delle approssimazioni diventa il tutto molto complesso. Ora voglio leggere e comprendere per bene quell'articolo + le informazioni aggiuntive di Fabrizio in modo da fissare i concetti.

Grazie mille ragazzi, se per voi va bene posso inserire mano mano gli ulteriori sviluppi di questa tematica.

Ciao a tutti

[Fabrizio]

Certo Alfonso, tutto ciò che troverai e svilupperai in merito all'argomento sarà molto interessante e avremo piacere di leggerlo qui sul forum

[alfo84]

Perfetto. Cmq il prof mi ha detto che dovrò fare delle simulazioni in Matlab (con Simulink) per analizzare questi disturbi.

[Fabrizio]

Esatto, quel programma è proprio uno dei principali, fra quelli che si possono usare per implementare qui metodi di cui facevo cenno. Esistono poi programmi specifici dedicati al settore, ma si tratta di applicazioni specifiche usate solo dai professionisti del settore, programmi che tra l'altro richiedono molto tempo per poter essere usati. Io tuttavia di questi ultimi non ne conosco la natura, non ne ho mai visti. Matlab e Simulink l'ho usati sporadicamente per alcune simulazioni, ma nulla di più.

[alfo84]

Io sto studiando dal libro "Sistemi elettrici per l'alta velocità ferroviaria" (non significa che voglio farne pubblicità!!!), mi consiglieresti qualche altro libro o documento dove potrei studiare
questo argomento?

[Fabrizio]

Purtroppo non ho nessun libro da consigliarti sull'argomento, se non alcuni link a materiale che puoi reperire facilmente in rete

http://www.aeit-bo.ing.unibo.it/archivi ... 7/AV02.pdf
http://www.cifi.it/UplDocumenti/Convegn ... 2x25kV.pdf
http://www-3.unipv.it/electric/cad/slid ... ione_6.pdf

Ma sono tutti documenti contenti informazioni di base riguardo al sistema, tutte cose che sicuramente saranno anche sul testo che hai indicato. Testi specialistici a riguardo non ne conosco.

Ciao

Fabrizio

[alfo84]

Grazie mille, il secondo e il terzo articolo già li avevo, è interessante il primo. Ciao

[MrPatato76]

Interessanti documenti!!
Me li sono scaricati anch'io, anche se non mi occupo propiamente del settore, mi aiutano a capire meglio come funziona il sistema AV italiano.

Grazie ancora.

[Digtrain]

Ciao Alfonso,

dovrai citare Fabrizio Borca e/o il Forum Scala TT nella bibliografia della tua tesi!!!!

Ciao Walter

[alfo84]

E si è un argomento in cui Fabrizio è molto ferrato. Ho incontrato nelle mie letture il termine "linee feeders", ora dallo schema più o meno ho capito il collegamento però mi piacerebbe capire quando osservo una linea ferroviaria (di fronte casa mia ne ho una però fortunatamente non ad alta velocità ahahahha) dove posso vedere queste linee feeders. Se ho capito bene le linee aree sono le linee primarie mentre le linee feeders quali sono?

Ciao Alfonso

[alfo84]

Ho risolto i miei dubbi.

"Il sistema 2x25kV, utilizzato nella trazione ferroviaria ad alta velocità in Italia (ma anche e soprattutto in Francia,paese che ha sviluppato per primo questo sistema) prevede l'impiego di autotrasformatori a presa centrale. La presa centrale, a potenziale nullo, e collegata al binario, gli altri due poli sono alla tensione di 25kV rispetto a detta presa centrale. Uno dei due poli è collegato alla LC e l'altro polo ad un feeder installato sugli stessi sostegni della linea aerea (il cavo appeso, tramite isolatori, ai pali di sostegno che potete notare su tutte le linee AV). Per questo la massima differenza di potenziale in questo sistema è di 50kV, ma la tensione a cui è sottoposto il materiale rotabile è comunque di 25kV, essendo il materiale rotabile sottoposto alla tensione tra LC e binario."

[Fulvio Zanda]

Bellissima discussione, molto interessante e resto basito dalla preparazione di Fabrizio sull'argomento.

Quindi se ho ben capito il massimo disturbo elettromagnetico generato si ha al passaggio del treno, è corretto ?


ciao

[alfo84]

Io per ora sto analizzando il sistema di alimentazione 2x25kV - 50 Hz. Non sono ancora arrivato ai disturbi elettromagnetici, voglio studiare per gradi e cercare di acquisire una maggiore padronanza sull'argomento. Anche io ho capito che il maggior disturbo si crea al passaggio del treno, però voglio approfondire il discorso per essere sicuro di quello che dico, senza se e senza ma.

Intanto riguardo al sistema di alimentazione 2x25kV - 50 Hz ho trovato questa foto


Immagine:

207,84 KB

[alfo84]

Ho letto dal libro " Sistemi elettrici per l'alta velocità ferroviaria" che con il sistema 2x25kV - 50Hz è possibile trasportare l’energia per alimentare i convogli a 50kV anziché a 25kV e ciò consente una diminuzione delle correnti assorbite e quindi cadute di tensione più basse, di conseguenza è possibile distanziare maggiormente le sottostazioni elettriche fra di loro e collegarle direttamente alla rete di trasmissione nazionale (RTN).

Mi chiedo perché se le cadute di tensione sono più basse allora è possibile distanziare maggiormente le sottostazioni elettriche?

Ciao a tutti

[Fabrizio]

@Fulvio: si, è esatto, il maggior disturbo si ha quando il treno transita.

@Alfonso: la caduta di tensione massima ammessa è un certo valore, ipotizziamo il 4% nel punto più sfavorito ( lontano ). La caduta di tensione dipende dalla corrente assorbita, dalla sezione del conduttore e dalla lunghezza della linea. Più precisamente la caduta di tensione è direttamente proporzionale alla corrente assorbita e alla lunghezza mentre è inversamente proporzionale alla sezione del conduttore . Ipotizziamo di mantenere costante la sezione e considerare una linea lunga un tot. Se la corrente assorbita sarà minore ( tensione 50 kV anziché 25 kV ) allora la caduta di tensione sarà minore. Ipotizziamo di volere raggiungere sempre il limite del 4%. Abbiamo guadagnato qualcosa diminuendo la corrente, quindi abbiamo un certo margine da spendere e lo usiamo per allungare la linea (sottostazioni più lontane).

[Alex Corsico]

Mo permetto di segnalare che uno dei problemi affrontati è stato il disturbo della linea AC con gli impianti di segnalamento tradizionali alimentati a 50 Hz....

a presto

[alfo84]

Grazie Fabrizio, ho capito tutto perfettamente. Confesso che avevo pensato alla formula Resistenza = resistività x lunghezza/sezione però non ne ero convinto.

Grazie mille. Ciao

[Fabrizio]

Esatto Alex, poiché la linea AV è alimentata alla frequenza di 50 Hz, i disturbi sulle linee adiacenti erano alla stessa frequenza. Nessun problema sulla linea di alimentazione (poiché è a 3 kV mentre i disturbi sono di pochi volt), ma il problema riguardava gli impianti di segnalamento. Mi sembra infatti che i 50 Hz siano proprio una delle frequenze usate per i codici in uso sui sistemi BAcc (blocco automatico a correnti codificate), in questo caso i valori di tensione indotti erano paragonabili a quelli caratteristici del sistema. Da qui i problemi. Avevo letto questo in qualche forum, ma non ricordo più quale. Si diceva poi che il problema sia stato risolto cambiando la frequenza dei sistemi di segnalamento sulle linea tradizionale e usando opportuni filtri, ma anche questo non lo ricordo bene.

Quella formula c'entra, infatti serve per calcolare la resistenza (tuttavia c'è anche da considerare la caduta induttiva in caso di linee monofase). Poi per avere la caduta di tensione serve la corrente, che attraversa questa resistenza.

Ciao

Fabrizio