Introduzione

Nella scorsa riunione annuale dell'AEIT, Associazione Italiana di Elettrotecnica, Elettronica, Automazione, Informatica e Telecomunicazioni, sezione Toscana ed Umbria, ho avuto l'opportunità di presentare un contributo su una nuova generazione di elettrodotti in alta ed altissima tensione. L'evento si è svolto lo scorso 23 Ottobre, in modalità ibrida (in presenza ed on-line); la locandina dell'evento è ancora disponibile qui; questo articolo rappresenta una trasposizione sotto forma di blog (e quindi necessariamente sintetica) del materiale presentato in quell'occasione, nulla di nuovo dunque, ma spero in questo modo di renderlo disponibile agli utenti del forum. Il contributo originale è: M. R. Guarniere, F. Palone, R. Spezie, "I sostegni '5 Fasi': Soluzione innovativa per la riduzione dei CEM -analisi delle curve di Loadability".

Il contesto e le motivazioni

L’esercizio, la progettazione ed il rinnovo di linee elettriche in alta tensione sono spesso ostacolati dagli aspetti relativi ai campielettromagnetici prodotti dalle stesse: in Italia tale problema è molto significativo per via di una legislazione molto stringente circa i valori massimi di campo elettromagnetico prodotto da linee in alta tensione. Tale legislazione limita spesso la caricabilità di linee esistenti, con significativi impatti sul processo di decarbonizzazione, per la maggiore difficoltà nel trasporto di energia rinnovabile. Una nuova generazione di elettrodotti ad alta tensione consente una sostanziale riduzione dell'esposizione della popolazione ai campi elettromagnetici e un aumento della capacità di trasferimento di energia: i sostegni a "5 Fasi" .

esemipio di traliccio 220 kV a 5 Fasi

La situazione internazionale

Considerazioni generali

La crescente attenzione sul campo magnetico, in particolare in Europa e Nord America, ha sollecitato lo sviluppo di nuove generazioni di elettrodotti aerei, con l’obbiettivo di una maggiore sostenibilità elettromagnetica. Allo stesso tempo, il massiccio sviluppo delle energie rinnovabili tende ad aumentare le potenze e le distanze su cui le linee aeree sono chiamate a trasmettere energia; tali necessità non possono essere ignorate nello sviluppo di nuovi elettrodotti. La disponibilità di nuove tecnologie abilita soluzioni più o meno sfidanti: la ricerca di un ottimo progettuale per un’applicazione su vasta scala deve tenere in conto la fattibilità industriale, le prestazioni, i costi. Il progetto degli elettrodotti a 5 Fasi nasce dalla necessità di conciliare tali esigenze, per realizzare elettrodotti ad alta caricabilità e bassi campi elettromagnetici, nel rispetto dei criteri di sostenibilità ambientale ed antropica, realizzabili da subito con tecnologie mature e consolidate nel campo dell’industria elettrotecnica nazionale.

Limiti di emissione in Europa

Il DPCM 8 luglio 2003 ha imposto valori limite di campo magnetico per nuovi elettrodotti (3 µT) realizzati e elettrodotti esistenti (10 µT) per i recettori in prossimità di elettrodotti esistenti. Tali limiti sono fortemente restrittivi rispetto a quanto suggerito dagli organismi tecnici e medici internazionali (raccomandazione EU : 100 μT) e rispetto alla legislazione di gran parte del mondo. Tra i Paesi europei, solo alcuni prevedono limiti inferiori ai 100 μT della raccomandazione EU 1999/519/CE:

• Slovenia: limite di 10 μT per le sole nuove realizzazioni.
• Croazia: limite di 40 μT per le case, scuole, case di riposo, ecc.
• Bulgaria: distanze minime, in caso di nuove costruzioni, tra linee elettriche aeree e recettori sensibili.
• Belgio: limiti su base regionale, applicati alle nuove costruzioni, variabili tra 100 μT e meno di 3 μT.
• Polonia: limite di 75 μT

mappa europea limiti di esposizione.JPG

versione ad alta risoluzione disponibile sul sito della european environmental agency

Il nome, la tecnica

I sostegni a «5 Fasi» utilizzano una geometria composta da 5 fasci di conduttori (singoli o multipli, secondo il livello di tensione).La disposizione nello spazio dei conduttori, soluzione ottimale nel rispetto dei molteplici vincoli meccanici ed elettrici, consente una significativa riduzione del campo magnetico ed un aumento della potenza tramsissibile. Lo sfasamento angolare tra i vari fasci di conduttori è di 0, 120 o 240° elettrici; ciò consente di collegare tra loro impianti di tipo convenzionale senza interporre trasformatori di interfaccia o convertitori elettronici. Il nome richiama tanto nel tecnico del settore, quanto nel pubblico, gli aspetti caratteristici, anche visivi di questa innovativa soluzione. Secondo il dizionario elettrotecnico nazionale, infatti, ciascun conduttore o fascio di conduttori che è pensato per essere in tensione nel normale servizio rappresenta una fase dell'elettrodotto.

disposizione fasi in un sostegno a 5 Fasi

definizione di fase di un elettrodotto secondo diz

Confronto con elettrodotti convenzionali

Riduzione del campo magnetico

Gli elettrodotti a "5 Fasi" consentono di ottenere un campo magnetico estremamente ridotto, comparabile conquello di una linea in cavo interrato. A parità di altezza utile e di corrente, con una minore altezza complessiva rispetto ad un elettrodotto convenzionale di tipo tronco-piramidale in Semplice Terna, si ha una sostanziale riduzione del campo magnetico (-80%) generato che diventa comparabile con quello di una linea in cavo interrato. La riduzione è marcata anche rispetto alle tradizionali soluzioni per la mitigazione del campo magnetico (Singola Terna Sdoppiata Ottimizzata STSO), rispetto alle quali il sostegno a 5 Fasi presenta un'altezza nettamente inferiore.

Se il confronto è fatto a parità di altezza (skyline) di un sostegno tradizionale, la riduzione è ancora più marcata, con valori di campo magnetico inferiori rispetto a quelli di una linea in cavo interrato.

confronto soluzioni di sostegni

confronto campi magnetici

Sviluppo antropico e mitigazione dei campi magnetici

Lo sviluppo antropico del territorio ha reso spesso gli elettrodotti aerei, quasi sempre preesistenti, interessati da vicino dalla presenza di nuove infrastrutture ed abitazioni civili.Come conseguenza vi è il rischio di limitazioni di portata, per problemi CEM o contenziosi col territorio.

in territori fortemente antropizzati

DPA e Potenze trasmissibili

Se ragionassimo a parità d’occupazione di territorio, ossia a pari Distanza di Prima Approssimazione (DPA) rispetto ad un elettrodotto convenzionale o esistente, che maggiori correnti potremmo trasmettere? Il confronto tra le soluzioni sopra riportate diventa:

• Linea tradizionale in singola terna I = 710 A ==> P = 283 MVA
• Linea in singola terna sdoppiata ottimizzata I = 1420 A ==> P = 565 MVA
• Linea a 5 Fasi I = 2510 A ==> P = 1000 MVA

Con una portata più che triplicata rispetto ad un elettrodotto convenzionale. Inoltre, con l'ipotesi di pari altezza complessiva rispetto ad un elettrodotto tradizionale, anche considerando la portata di 2510 A, un elettrodotto a 5 Fasi garantisce il rispetto dello stringente limite di 3 uT in ogni punto ad oltre 1 m da terra dal suolo.

confronto DPA tra soluzioni

Tecnica di mitigazione applicata dei campi magnetici, passando da una Singola Terna ad un sostegno 5F

In un caso «tipico» che useremo come esempio ipotetico, la presenza di un recettore su una campata di una linea a 220 kV, ne limita la mediana di esercizio da 1115 A (limite termico invernale del conduttore) a 500 A, con una riduzione della caricabilità dell’intera linea.

esempio di mitigazione - prima dell'intervento

I sostegni a 5 Fasi, grazie a specifici tralicci di transizione, consentono il rinnovo di singoli tratte della linea, abilitando la rimozione dei limiti di mediana sugli elettrodotti esistenti e permettendo il massimo sfruttamento delle infrastrutture esistenti.

esempio di mitigazione - dopo l'intervento

Impatti antropici – Rumore e radio interferenza

Gli elettrodotti di alta ed altissima tensione producono rumore per via della ionizzazione dell'aria sui conduttori di fase (effetto Corona). Tale generazione di rumore, per gli elettrodotti in corrente alternata di moderna progettazione, risulta praticamente rilevante solo in condizione di conduttore bagnato. Al fine di minimizzare l’impatto antropico degli elettrodotti, i nuovi sostegni a 5 Fasi sono stati progettati in modo da garantire bassi livelli di rumore e di radiointerferenza, inferiori rispetto a quelli degli elettrodotti convenzionali che sono chiamati a sostituire e compatibili con l’esercizio anche in aree fortemente antropizzate. In particolare, il rumore risulta inferiore a 40 dBA, pertanto compatibile con zonizzazioni residenziali in accordo alla legislazione vigente, anche con conduttori bagnati, in ogni punto al di sotto delle linee. Il grafico sotto riportato mostra come il rumore prodotto da elettrodotti a 5 Fasi sia inferiore rispetto a quello di soluzioni convenzionali; ciò distingue nettamente la soluzione a 5 Fasi da altre soluzioni (ad esempio adottata all'estero) per la mitigazione dei campi magnetici che tendono invece ad aumentare il rumore prodotto per effetto corona.

confronti rumore

La caricabilità delle linee elettriche aeree

Criteri generali

Le curve di caricabilità rappresentano la massima potenza trasmissibile da linee elettriche aeree, in funzione della lunghezza della linea. Sono in gran parte indipendenti dallo scenario di rete in cui le linee elettriche sono inserite: esse sono pertanto, uno strumento estremamente utile per valutare le caratteristiche/prestazioni di progetto degli elettrodotti. In via generale, al crescere della lunghezza della linea, diversi vincoli intervengono a dettare la massima potenza trasmissibile:

1. Linee corte sono limitate dalla sola portata in corrente dei conduttori (*)
2. Linee di media lunghezza sono limitate dalla caduta di tensione
3. Linee di grande lunghezza sono limitate anche da vincoli di stabilità angolare (massimo angolo di sfasamento tra tensione di partenza e tensione di arrivo)

(*) il limite di portata dei conduttori è in genere termico, per la massima temperatura di esercizio dei conduttori, ma nel particolare contesto Italiano, ad esso può aggiungersi quello derivante dalla massima mediana di esercizio per limiti di campo magnetico.

curva di caricabilità

Elettrodotti a 220 kV

Gli elettrodotti a 220 kV hanno costituito la prima tappa della rete di trasmissione ed interconnessione nazionale; essi presentano una portata al limite termico ed una caricabilità adeguate per lo scenario di progettazione tipico dell'inizio o della prima metà del 20° secolo, ma ormai spesso insufficienti alle mutate esigenze di rete ed al trasporto di una sempre maggiore produzione di energia da fonti rinnovabili. La loro potenza trasmissibile può essere oggi inoltre ridotta rispetto al valore originale di progetto, per limiti di mediana derivanti dall’urbanizzazione del territori. Gli elettrodotti a 5 Fasi possono in questo contesto rappresentare quindi uno strumento di grande efficacia per il rinnovo di elettrodotti esistenti a 220 kV, incrementandone in modo drastico la caricabilità, nel rispetto dei più stringenti limiti sui campi elettromagnetici. Come riportato nella figura seguente, con un elettrodotto a 220 kV a 5 Fasi è possibile trasportare una potenza di quasi 1000 MW su distanza rileventi. L'impiego della compensazione capacitiva serie (condensatori in serie alla linea), riducendo la reattanza di di servizio della linea, abilita la trasmissione su lunghezze ancora maggiori.

curva caricabilità linee 220 kV

Elettrodotti a 150 kV

I primi elettrodotti a 132 e 150 kV della rete Italiana ricoprivano un ruolo di trasmissione (generazione idroelettrica) ed interconnessione tra isole di carico. Gli elettrodotti a 150 kV rappresentano oggi il fulcro della rete di subtrasmissione, cui è demandato il compito di raccolta della generazione distribuita. Adottando una compensazione serie lungo la linea, è possibile trasmettere circa 400 MW lungo una distanza di circa 250 km, rispettando i vincoli sulla portata al limite termico e considerando un limite estremamente stringente sulla caduta di tensione (2.5%). In questo modo, il rinnovo di elettrodotti «storici» a 132 e 150 kV prossimi al termine della vita tecnica utile, con sostegni a 5 Fasi ne consentirebbe nuovamente l’impiego perfunzioni di trasmissione oltre che per una maggiore raccolta di energia rinnovabile. Come visibile nel grafico sotto riportato, il vincolo di massima corrente (Iz) dei conduttori risulta vincolante solo per linee corte (curva blu del grafico), mentre per lunghezze maggiori è la caduta di tensione a dettare la massima potenza trasmissibile (curva verde del grafico).

curva caricabilità linee 150 kV

Elettrodotti a 380 kV

La rete primaria di trasmissione europea ed italiana è oggi composta da elettrodotti in semplice e doppia terna a 380 kV. Nata agli inizi degli anni ’60, essa deve oggi far fronte a richieste sempre maggiori in termini di potenza e distanza di trasmissione. Grazie all’impiego congiunto dei sostegni a 5 Fasi e della compensazione serie, sono possibili straordinarie opportunità in termini di trasmissione su lunga distanza. Nel rispetto di stringenti limiti di margini di stabilità statica (50%), di caduta di tensione (2.5%) e di sfasamento angolare (30°) è possibile trasmettere oltre 3000 MW lungo una distanza di 400 km. Tali prestazioni erano sinora conseguibili solo tramite soluzioni di maggiore complessità e maggiori costi, quali livelli di tensione maggiore (si ricorda in Italia il Progetto 1000 kV) o tramite elettrodotti HVDC. Come visibile nel grafico seguente, il limite di portata Iz (in questo caso dettato dagli organi di manovra alle estremità della linea) risulta vincolante per linee di lunghezza di poco inferiore a 200 km; per lunghezze comprese tra i 200 ed i 400 km è il vincolo sulla caduta di tensione a dettare la massima potenza trasmissibile.

curva caricabilità linee 380 kV

Conclusioni

Le linee a "5 Fasi" offrono una soluzione efficace per il rinnovo parziale o totale di linee elettriche aeree «storiche», in particolare nelle aree antropizzate. Esse garantiscono sia bassi livelli di campo elettromagnetico (EMF) che una maggiore caricabilità rispetto alle linee convenzionali, arrivando a valori di campo magnetico comparabili con quello di linee in cavo interrato. Anche considerando limiti conservativi sulla caduta di tensione (ΔV = 2,5%) e sullo sfasamento (θ = 30°) tra l'estremità della linea, la configurazione "5 Fasi" può trasmettere una potenza attiva significativamente più elevata rispetto alle configurazioni standard utilizzate in Italia ed in Europa (tipicamente, oltre il 200%). Il tutto, nel pieno rispetto anche dei limiti di rumore acustico e radiointerferenza più stringenti, per l’impiego in zone antropizzate.

Prospettive di utilizzo

Il piano di sviluppo della rete di trasmissione 2023 prevede il rifacimento di alcune infrastrutture in alternata a 220 kV in alcuni casi risalenti agli anni ‘40 del secolo scorso, con l’impiego di sostegni a "5 Fasi", per i progetti "Central Link" e "Sardinian Link".

central link