Sottostazioni elettriche

Una sottostazione elettrica è una struttura che fornisce una giunzione tra le parti della rete elettrica. Le funzioni della sottostazione, critiche per il corretto funzionamento del sistema elettrico, includono l’interconnessione delle linee elettriche da diverse parti del sistema; il monitoraggio e il controllo delle condizioni operative del sistema; e la protezione delle apparecchiature del sistema elettrico.

CLASSIFICAZIONE E DESCRIZIONE GENERALE

Le sottostazioni possono essere classificate in una delle diverse categorie a seconda della loro posizione e funzione all’interno del sistema. Le sottostazioni di generazione sono situate nel sito delle stazioni di generazione di energia e forniscono la connessione al sistema di trasmissione. Le sottostazioni di potenza di massa collegano il sistema di trasmissione al sistema di sotto-trasmissione, abbassando la tensione attraverso un trasformatore (sottostazione di trasformazione), o collegando linee di trasmissione ad alta tensione da diverse parti del sistema senza cambiare la tensione (sottostazione di commutazione). Una sottostazione di distribuzione fornisce il collegamento tra il sistema di subtrasmissione e le tensioni molto più basse del sistema di distribuzione. Una stazione di conversione è un tipo unico di sottostazione di potenza di massa che fornisce un collegamento tra le linee di trasmissione a corrente alternata ad alta tensione e le linee di trasmissione a corrente continua ad alta tensione.

L’ubicazione delle sottostazioni, fattori elettrici, geografici, economici, politici ed estetici devono essere considerati. Le alte tensioni del sistema di trasmissione sono utilizzate perché le correnti ridotte risultano in una trasmissione di energia più efficiente. Pertanto, le sottostazioni sono collocate il più vicino possibile ai carichi del sistema per minimizzare le perdite. Questo è limitato dal valore e dalla disponibilità di beni immobili, così come dal requisito che il terreno sia relativamente piano all’interno della sottostazione. Si fa attenzione nel posizionamento della sottostazione, in particolare nelle aree di densa popolazione, che la posizione non ostruisca le viste panoramiche o deprezzi esteticamente gli sviluppi commerciali o residenziali. La dimensione fisica delle sottostazioni può coprire grandi aree perché i componenti ad alta tensione sono isolati l’uno dall’altro dall’aria e quindi devono essere separati da distanze significative. Storicamente, questi problemi hanno limitato l’installazione di grandi sottostazioni ad aree con una popolazione relativamente scarsa. Tuttavia, dagli anni ’80, le sottostazioni sono state isolate con gas sulfureo pressurizzato (SF 6). A causa della qualità altamente isolante dell’SF 6, le dimensioni di queste sottostazioni isolate a gas possono essere ben al di sotto del 25% delle dimensioni di una sottostazione isolata ad aria con la stessa capacità di gestione della potenza. In alcune applicazioni, in particolare quelle in prossimità dei centri abitati, l’intera sottostazione può essere racchiusa in edifici, riducendo le preoccupazioni estetiche e il deterioramento da parte dell’ambiente. Tuttavia, le sottostazioni isolate in aria sono ancora generalmente preferite a causa del costo più elevato e delle preoccupazioni ambientali riguardanti il rilascio di SF 6 (che viene studiato come gas serra).

Interconnessione del sistema

La funzione primaria delle sottostazioni è quella di fornire un’interconnessione tra le linee di trasmissione che si estendono ad altre aree geografiche e tra parti del sistema che possono funzionare a tensioni diverse. Un aspetto principale della progettazione delle sottostazioni è la disposizione delle connessioni attraverso interruttori automatici a nodi comuni chiamati bus. Gli interruttori automatici sono grandi interruttori elettrici che forniscono la capacità di scollegare le linee di trasmissione o i trasformatori dal bus. I trasformatori forniscono un cambio di tensione.

Busses

I bus sono tipicamente fatti di alluminio o rame e sono barre rigide nella sottostazione, isolate da terra e da altre apparecchiature attraverso un ampio materiale isolante, tipicamente aria o sulfurhexafluoride. La disposizione dei bus nella sottostazione può rientrare in diverse categorie; le più comuni sono illustrate e spiegate nella Tabella 1. La scelta appropriata della configurazione è fatta bilanciando attentamente costi, affidabilità, controllo e spazio

Single Bus – Tutti i collegamenti sono legati ad un singolo bus, con un interruttore per ogni bus. Questa disposizione è favorita per la sua semplicità e il basso costo, anche se è meno desiderabile per quanto riguarda l’affidabilità. La manutenzione all’attrezzatura della sottostazione richiede che i collegamenti siano rimossi dal servizio. – Questo tipo di bus è di solito la configurazione di scelta nelle sottostazioni a o sotto 130 kV.
Bus principale e di trasferimento – Come con la disposizione a bus singolo, ogni connessione è collegata al bus principale attraverso un interruttore, ma l’interruttore può essere bypassato utilizzando sezionatori attraverso un bus di trasferimento e un altro interruttore al bus principale. Questo permette l’isolamento dell’interruttore per la manutenzione senza perdita di servizio alla connessione. – Usato in applicazioni più critiche a o sotto 130 kV, e occasionalmente a tensioni più elevate.
Ring Bus – Questo schema ha tutti gli interruttori collegati in un anello chiuso, con connessioni che entrano alla giunzione tra gli interruttori. In questo modo, qualsiasi connessione può essere isolata o qualsiasi singolo interruttore rimosso senza interrompere le altre connessioni. Questo fornisce un livello più alto di ridondanza rispetto ai sistemi menzionati sopra. I problemi di controllo e di relè di protezione sono un po’ più complicati per questa disposizione. – Di solito si trovano in sottostazioni sopra i 130 kV, in sottostazioni più piccole. Spesso installato con l’aspettativa di una futura espansione ad uno schema breaker-and-a-half.
Schema breaker-and-a-half – Questo schema ha due bus uguali, con tre interruttori collegati tra loro. Ogni connessione può essere collegata a uno dei bus attraverso un interruttore, e nel caso in cui un interruttore sia fuori servizio o abbia bisogno di manutenzione, la connessione può ancora essere servita attraverso i due interruttori all’altro bus. Il nome di questa disposizione deriva dal fatto che due connessioni sono servite da tre interruttori, in modo che ci sia una media di un interruttore e mezzo per connessione. Questo schema è meno complicato del bus ad anello, con maggiore affidabilità, ma è più costoso. – Più comune sui sistemi sopra i 130 kV.
Double Bus – Una disposizione a doppio bus e doppio interruttore fornisce un collegamento ad ogni bus attraverso un interruttore indipendente per ogni connessione. Questo fornisce ridondanza completa in caso di malfunzionamento, o la necessità di eseguire la manutenzione su un interruttore o un bus, ma è la configurazione più costosa. – Di solito si trova nelle sottostazioni di trasmissione più critiche e nelle sottostazioni del generatore.
Linea bus, trasformatore, o carico ↓ Interruttore di sezionamento -⦧ Interruttore automatico □

vincoli. Se la sottostazione fornisce il servizio a carichi critici, la necessità di un’alta affidabilità può giustificare il costo più alto di una disposizione più complessa del bus, mentre per carichi meno critici, i vincoli di spazio possono imporre una disposizione minima del bus.

Sezionatori

Per ogni pezzo di attrezzatura in una sottostazione, sono previsti interruttori manuali chiamati sezionatori per imporre il completo isolamento elettrico dalle attrezzature prima che venga eseguito qualsiasi servizio. I sezionatori sono collocati in posizioni chiaramente visibili in modo che il personale di manutenzione possa continuamente confermare che l’apparecchiatura è isolata. Il sezionatore non può interrompere la corrente, quindi viene aperto solo quando la corrente è già stata interrotta da un interruttore automatico come un interruttore automatico.

Interruttori automatici

Gli interruttori automatici sono interruttori che vengono azionati da un segnale, da un relè o da un operatore. L’interruttore è progettato per interrompere le correnti molto grandi che possono verificarsi quando il sistema sperimenta un guasto, come un fulmine o un arco a terra (ad esempio, un albero che cade su una linea, o una linea che cade a terra). Poiché queste correnti estremamente grandi possono causare gravi danni ad apparecchiature come trasformatori o generatori, e poiché questi guasti possono interrompere il corretto funzionamento dell’intero sistema elettrico, gli interruttori sono progettati per funzionare abbastanza rapidamente per prevenire danni alle apparecchiature, spesso in 100 millisecondi o meno.

I contatti dell’interruttore sono costituiti da due pezzi di metallo che sono in grado di muoversi uno rispetto all’altro. Quando l’interruttore è chiuso, i contatti si toccano e la corrente scorre liberamente tra loro. Quando l’interruttore si apre, i due contatti sono separati, in genere da una molla ad alta resistenza o da un operatore pneumatico. Quando i contatti si separano, la corrente continua a fluire attraverso di loro, e il materiale tra di loro è ionizzato, formando un plasma conduttore. Per fornire l’isolamento, il plasma deve essere eliminato e i contatti devono essere separati ad una distanza sufficiente per prevenire la riaccensione di un arco. Diverse tecnologie diverse sono implementate per dare quattro tipi comuni di interruttori.

Gli interruttori a getto d’aria sono isolati dall’aria, e il plasma si spegne quando un getto di aria compressa viene soffiato tra i contatti. Questi sono meno comuni degli altri tipi e generalmente non sono più applicati nelle nuove installazioni a causa delle dimensioni e dei problemi di manutenzione dei compressori. Gli interruttori in olio hanno i contatti racchiusi in un serbatoio sigillato di olio altamente raffinato, con condotti d’olio progettati per forzare l’olio tra i contatti per spegnere l’arco quando i contatti si aprono. Questi sono comuni, ma in calo di popolarità a causa delle preoccupazioni ambientali associate al rischio di una fuoriuscita di olio. Anche se i guasti degli interruttori si verificano solo raramente, centinaia di galloni di olio possono essere rovesciati in un singolo guasto, richiedendo procedure di rimedio molto costose. Gli interruttori più popolari per i sistemi ad alta tensione sono interruttori riempiti di gas che hanno i contatti racchiusi in un serbatoio sigillato di SF6 pressurizzato. Questi si sono dimostrati altamente affidabili, anche se ci sono state alcune preoccupazioni ambientali sul rilascio dell’SF6 durante la manutenzione del dispositivo o quando il serbatoio si rompe. Per le applicazioni a bassa tensione (meno di 34 kV), si usano spesso interruttori a vuoto. Questi eliminano l’arco elettrico racchiudendo i contatti in una camera evacuata. Poiché non c’è alcun fluido da ionizzare, non si può formare alcun plasma. Il loro vantaggio principale è un tempo di risposta molto veloce e l’eliminazione delle preoccupazioni ambientali.

Oltre agli interruttori automatici, ci sono altre classi di interruttori automatici che possono essere controllati o azionati a distanza, ma con capacità di interruzione della corrente. Questi includono interruttori di circuito, richiuditori e sezionatori.

Trasformatori

I trasformatori di potenza svolgono l’importante funzione di collegare parti del sistema elettrico che sono a tensioni diverse. Si trovano esclusivamente nelle sottostazioni, tranne che nel sistema di distribuzione, dove possono essere montati su pali o piazzole vicino ai carichi che servono.

MONITORAGGIO E PROTEZIONE DEL SISTEMA

La sottostazione fornisce un punto di monitoraggio dei parametri operativi del sistema. Il sistema elettrico è un conglomerato altamente complesso e sensibile di parti che devono essere tutte coordinate per funzionare correttamente. Per questo motivo, le condizioni operative devono essere osservate e controllate molto attentamente. Questo viene fatto usando sensori specializzati per acquisire le informazioni e poi sistemi di comunicazione per trasmettere le informazioni a un punto centrale. Per una risposta immediata ai guasti del sistema (come conduttori danneggiati, archi a terra o altre condizioni operative indesiderate), viene utilizzato un sistema di relè di protezione (composto da sensori e interruttori automatici) per azionare gli interruttori di circuito.

Trasformatori strumentali

Le alte tensioni e correnti viste in una sottostazione superano i valori di tensione e corrente delle apparecchiature di monitoraggio, quindi vengono utilizzati trasformatori strumentali per convertirli in valori inferiori per scopi di monitoraggio. I trasformatori di strumenti possono essere classificati come trasformatori di corrente (CT) o trasformatori di tensione (VT), che a volte sono anche designati come trasformatori di potenziale. I CT consistono tipicamente in un nucleo toroidale di materiale magnetico avvolto da un numero relativamente alto di giri di filo sottile, con la corrente da misurare che passa attraverso il centro del toroide. Questi dispositivi sono spesso situati nelle boccole di interruttori e trasformatori in modo da poter misurare la corrente in questi dispositivi. Le boccole sono gli speciali collegamenti isolati che permettono alla corrente di passare dall’aria esterna in un involucro metallico sigillato. I VT hanno la funzione di abbassare la tensione a un livello misurabile. Di solito ce n’è uno collegato a ciascuno dei bus della sottostazione. Il più delle volte i VT sono costruiti essenzialmente nello stesso modo degli altri trasformatori, anche se a volte un accoppiamento capacitivo può migliorare o sostituire l’elettromagnetismo. I recenti progressi nella tecnologia hanno sviluppato una nuova classe di CT e VT che sono dispositivi ottici che utilizzano materiali specializzati e tecniche avanzate di elaborazione del segnale per determinare la corrente in base alla polarizzazione della luce influenzata dall’intensità del campo magnetico, e la tensione in base alla polarizzazione della luce influenzata dall’intensità del campo elettrico. Mentre questi dispositivi sono significativamente più costosi delle tecnologie tradizionali, forniscono una maggiore precisione e affidabilità e un migliore isolamento elettrico.

Una volta che le condizioni operative sono state misurate, le informazioni vengono trasmesse a una posizione centrale utilizzando un sistema noto come SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). I dati del sistema SCADA vengono visualizzati nel centro di dispacciamento regionale per aiutare gli operatori a sapere quali azioni devono essere intraprese per il miglior funzionamento del sistema.

Relazione protettiva

I trasformatori strumentali forniscono ingressi al sistema di protezione automatica. Per fornire una risposta rapida ai guasti, un gruppo di dispositivi chiamati relè accetta i segnali di tensione e corrente, determina quando esistono condizioni anormali e apre gli interruttori in risposta alle condizioni di guasto. Il design del sistema di protezione apre solo gli interruttori più vicini al problema in modo che tutto il resto del sistema possa riprendere il funzionamento normale dopo che il guasto è stato isolato dal sistema. Storicamente, determinare quali interruttori aprire è stato fatto usando vari dispositivi elettromeccanici che avevano i necessari confronti e ritardi incorporati nel loro design. Questi includono relè di sovracorrente, relè direzionali, relè di distanza, relè differenziali, relè di sottotensione e altri. Questi dispositivi elettromeccanici si sono dimostrati robusti e affidabili fin dai primi anni del 1900. Alla fine degli anni ’50 una nuova classe di relè, i relè a stato solido, che utilizzano circuiti analogici e porte logiche, hanno fornito fondamentalmente le stesse prestazioni, ma senza parti mobili e quindi con requisiti di manutenzione ridotti. Con l’avvento dei microprocessori a basso costo e di alto livello, è nata una nuova generazione di relè in cui un singolo relè basato su microprocessore svolge tutte le funzioni di diversi relè elettromeccanici o a stato solido. Il microprocessore offre i vantaggi di una maggiore precisione, una migliore sensibilità ai guasti, una migliore selettività, flessibilità, facilità d’uso e di test e capacità di autodiagnosi. Possono essere integrati nel sistema SCADA per comunicare la causa dell’apertura dell’interruttore, e possono essere azionati, resettati e aggiornati tramite accesso remoto. Questi vantaggi sono il motivo per cui i relè basati su microprocessore si trovano nella maggior parte delle nuove installazioni e vengono anche adattati in molte sottostazioni esistenti.

Oltre alla protezione contro le correnti eccessive, le apparecchiature devono essere protette contro le tensioni eccessive che comunemente risultano da fulmini o transitori di commutazione. A causa dell’alta velocità di queste sovratensioni, i relè e gli interruttori automatici non sono in grado di rispondere in tempo. Invece, questo tipo di protezione è fornito da scaricatori di sovratensioni, che sono dispositivi passivi che impediscono le sovratensioni senza parti in movimento. Un air gap è stato il primo tipo di scaricatore di sovratensioni, in cui una serie speciale di contatti sono impostati a una distanza specificata dalla tensione massima tollerabile. Quando la tensione supera quella soglia, si forma un arco, essenzialmente mettendo in cortocircuito la sovratensione. La tecnologia più recente dello scaricatore di sovratensioni è il varistore ad ossido metallico (MOV). Questo è un dispositivo che si comporta come una resistenza molto grande a tensioni inferiori alla soglia specificata, ma a tensioni superiori alla soglia, la resistenza del dispositivo scende precipitosamente, assorbendo effettivamente abbastanza corrente per limitare la tensione, ma senza cortocircuitarla a terra.

CONTROLLO DELLA TENSIONE DEL SISTEMA

Un’altra delle funzioni principali di una sottostazione è quella di fornire i mezzi per controllare e regolare le tensioni e il flusso di potenza. Queste funzioni sono fornite dal feedback di un sistema automatizzato o da istruzioni remote dal centro di dispacciamento usando una serie di dispositivi e sistemi all’interno della sottostazione.

Un commutatore di carico, parte integrante di un trasformatore di potenza, è un interruttore speciale che regola il rapporto di tensione del trasformatore su o giù per mantenere la tensione lato carico al livello desiderato nonostante le variazioni di tensione sul lato sorgente. I banchi di condensatori sono usati per aumentare la tensione in una sottostazione quando è scesa troppo in basso, in particolare nelle aree di grandi carichi industriali. Le reattanze shunt sono usate per abbassare le tensioni che sono salite troppo in alto a causa della capacità nella linea di trasmissione o di distribuzione.

Un’altra classe di dispositivi usati per controllare la tensione viene azionata usando interruttori elettronici alimentati per regolare continuamente la capacità e/o l’induttanza in una sottostazione per mantenere la tensione esattamente al livello desiderato. Questi dispositivi sono relativamente nuovi nella diffusione, essendo stati sviluppati con l’avvento di componenti semiconduttori di potenza economici e robusti. Questi dispositivi fanno parte di un gruppo ampiamente noto come dispositivi FACTS (Flexible AC Transmission System) e comprendono compensatori statici var, compensatori statici sincroni e ripristinatori dinamici di tensione.

John A. Palmer

Vedi anche: Condensatori e ultracondensatori, Sistemi di motori elettrici; Potenze elettriche, generazione di; Potenze elettriche, protezione del sistema, controllo e monitoraggio di; Potenza elettrica, affidabilità del sistema e; Sistemi di trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica; Isolamento; Trasformatori.

BIBLIOGRAFIA

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