ITTO20080176A1 - Sistema di schermatura passiva di tipo magliato e conduttivo ad elevato accoppiamento magnetico - Google Patents
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Description
"Sistema di schermatura passiva di tipo magliato e conduttivo ad elevato accoppiamento magnetico"
TESTO DELLA DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce alle tecniche di mitigazione dei campi magnetici prodotti dalle linee elettriche per il trasporto e la distribuzione di energia elettrica.
Le linee elettriche, in cavo o aeree, che trasportano l'energia sono attraversate da correnti elettriche, in genere di tipo sinusoidale e con ampiezza variabile nel tempo in funzione del carico elettrico, che generano nello spazio circostante campi magnetici. La necessità di ridurre tali campi magnetici a livelli ritenuti compatibili con la salute umana o con il regolare funzionamento di dispositivi di vario tipo ha portato a definire, mediante norme tecniche o leggi, dei livelli di riferimento da non superare.
Normalmente, i conduttori della sorgente sono disposti secondo esigenze operative {dimensioni dello scavo nel caso di linee interrate) o funzionali (esigenze di dissipazione termica).
In taluni casi la configurazione delle linee o i valori di corrente non consentono il rispetto di tali livelli di guardia ed è perciò necessario predisporre dei sistemi di mitigazione dei campi magnetici.
Le prestazioni di uno schermo sono definite dal rapporto tra i valori dell'induzione magnetica in un punto in assenza ed in presenza dello schermo. Tale coefficiente è definito fattore di schermatura ed è un numero maggiore di uno. Tanto più è grande il fattore di schermatura tanto più lo schermo assolve alla sua funzione.
Il fattore di schermatura è definito come grandezza puntuale ed è perciò funzione del punto dello spazio in cui viene calcolato. Tipicamente si assume come punto significativo il punto caratterizzato dal massimo valore del campo magnetico: nel caso delle linee in cavo interrate si assume un punto al livello del terreno posto simmetricamente rispetto alla linea elettrica da schermare .
I sistemi di mitigazione, detti anche schermi, si dividono in due grandi categorie: schermi passivi e schermi attivi.
I primi sono caratterizzati dal fatto che non richiedono sorgenti elettriche esterne che li alimentano mentre i secondi richiedono una alimentazione esterna. In entrambi i casi gli schermi sono collocati in prossimità della sorgente e della regione in cui si vuole mitigare il campo magnetico.
Per quanto riguarda gli schermi passivi, essi sono suddivisi in due categorie: schermi ferromagnetici e schermi conduttivi. I primi sono costituiti da lastre di materiale ferromagnetico che intercettano il campo magnetico da schermare riducendolo nella regione circostante.
Tipicamente tali sistemi vengono utilizzati nel caso delle linee interrate e le lastre di materiale ferromagnetico sono poste sotto terra in prossimità della linea elettrica. Dato che i valori del campo magnetico sono in genere bassi (espressi in unità di induzione magnetica nell'ordine micro e milli tesla) gli schermi ferromagnetici richiedono l'utilizzo di materiali caratterizzati da una elevata permeabilità magnetica a bassi campi magnetici (detta permeabilità magnetica iniziale).
Gli schermi passivi conduttivi sono caratterizzati da lastre di materiale conduttivo, tipicamente alluminio o rame, il cui principio di funzionamento si basa sulle legge dell'induzione elettromagnetica: il campo magnetico da schermare induce nelle lastre delle correnti indotte, dette correnti di Foucault, che generano un campo che si oppone ad esso.
Gli schermi conduttivi costituiti da lastre, analogamente a quelli ferromagnetici, vengono utilizzati per schermare i campi prodotti delle linee in cavo e sono generalmente interrati e posti tra la linea elettrica che genera il campo magnetico e la regione in cui si vuole ridurre il campo. Al fine di garantire un buon funzionamento di questa tipologia di schermi è necessario che le lamiere che lo compongono siano ben saldate tra loro al fine di garantire una buona continuità elettrica dell'intero schermo.
Una particolare tipologia di schermi conduttivi è rappresentata dalle maglie passive. Tali schermi sono costituiti da conduttori elettrici cilindrici (tipicamente gli stessi cavi elettrici utilizzati per il trasporto e la distribuzione dell'energia) connessi tra loro a formare delle maglie chiuse. Il funzionamento è sempre basato sul principio della legge dell'induzione elettromagnetica: il campo magnetico da schermare induce all'interno della maglia o delle maglie dello schermo delle correnti indotte che generano a loro volta un campo magnetico che si oppone a quello da schermare. Questa tipologia di schermi è utilizzata sia per le linee elettriche aeree sia per quelle in cavo.
Gli schermi passivi comuni sono caratterizzati da correnti relativamente basse (a causa dello scarso accoppiamento magnetico con la sorgente) e da fattori di schermatura relativamente bassi. Hanno il vantaggio che non presentano componenti attivi e auto-regolano la corrente di mitigazione in funzione della corrente sorgente. Infine, per poter elevare la corrente indotta nello schermo passivo si utilizzano dei condensatori posti in serie ai conduttori che compensano l'induttanza del circuito. Questa operazione permette di minimizzare l'impedenza del circuito (facendola diventare puramente resistiva) e consente di ottenere uno sfasamento tra la corrente indotta e la corrente sorgente di circa 90° (la condizione migliore sarebbe di ottenere una corrente di schermo in opposizione di fase, ossia sfasata di 180°, rispetto a quella sorgente).
Esistono schermi passivi costituiti da soluzioni miste ferromagnetici e conduttivi. In genere sono composti da lastre di materiale conduttivo e ferromagnetico alternate.
Per quanto riguarda gli schermi attivi essi sono in genere costituiti da conduttori elettrici formanti delle maglie più o meno complesse che, a differenza degli schermi passivi in cui tali maglie sono chiuse in corso circuito, vengono alimentate da generatori di corrente opportunamente controllati. La corrente di alimentazione viene modificata al variare del campo magnetico che occorre schermare e quindi tali sistemi necessitano di un sistema di misura del campo magnetico nella regione da schermare e di un sistema di controllo che modula la corrente nello schermo al valore desiderato. Questa tipologia di schermi viene generalmente utilizzata per le linee aeree.
Gli schermi attivi permettono di ottenere fattori di schermatura più elevati ma occorre che la corrente di mitigazione sia controllata sia in modulo sia in fase in funzione della corrente sorgente. Questo permette di ottenere, rispetto allo schermo passivo, correnti più elevate nello schermo ed in opposizione di fase rispetto alla sorgente. Per contro, lo schermo attivo richiede:
un sistema di misura della corrente sorgente, e
un sistema di alimentazione dello schermo; in presenza di un controllo errato, lo schermo attivo si trasforma in una nuova sorgente. Nella tabella sottostante sono riportate le principali caratteristiche e peculiarità delle diverse tipologie di schermi.
Il sistema proposto consente di mitigare il campo magnetico prodotto da una sorgente, costituita da un insieme di conduttori percorsi da corrente (linea elettrica), mediante un secondo sistema dì conduttori ad elevato accoppiamento magnetico con i conduttori della sorgente, disposti opportunamente nello spazio e percorsi da correnti opportunamente sfasate rispetto quelle che percorrono i conduttori della sorgente (secondo quanto verrà successivamente descritto). I conduttori che effettuano la mitigazione possono essere di numero, posizione, sezione e corrente scelti in modo ottimale. Affinché nei conduttori possano circolare delle correnti essi vengono connessi in modo da formare dei circuiti con dei percorsi chiusi.
La mitigazione del campo deriva, come nel caso degli schermi passivi conduttivi, dalla sovrapposizione degli effetti dei due sistemi.
L'idea proposta è quella di fornire uno schermo passivo di tipo magliato ad elevato accoppiamento con la sorgente, ossia uno schermo costituito da un insieme di conduttori opportunamente connessi tra loro in cui le correnti nello schermo sono indotte attraverso un accoppiamento magnetico ottenuto mediante una serie di tori di materiale magnetico, opportunamente dimensionati e concatenanti le sorgenti.
Le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno più chiari a valle della descrizione dettagliata dei disegni allegati in cui: - la Figura 1 mostra la struttura generale del sistema di schermatura ad elevato accoppiamento in cui sono evidenziati le sorgenti dì campo 1, i conduttori schermanti 2, il nucleo magnetico per l'accoppiamento 3 e l'avvolgimento secondario 4;
la Figura 2 mostra il circuito trifase equivalente del sistema di schermatura;
la Figura 3 mostra il circuito trifase equivalente in cui si adotta la configurazione con riduzione del numero di nuclei utilizzati;
- la Figura 4 mostra un sistema di schermatura con accoppiamento unitario;
- nelle Figure 5A e 5B sono mostrati i circuiti equivalenti monofase del sistema schermante;
- la Figura 6 mostra lo schema che permette di suddividere la corrente schermante utilizzando la connessione in serie di più spire che vanno a formare la fase schermante 2;
- la Figura 7 mostra l'estensione del sistema di schermatura al caso di sorgente con fasi multiconduttore e schermo multiconduttore;
le Figure 8 e 9 mostrano due possibili strutture del nucleo adatte a due diverse strutture dello schermo; e
la Figura 10 mostra l'applicazione del sistema di schermatura ad un uscita dì bassa tensione (BT) di una cabina di trasformazione.
Il sistema si presenta in linea di principio come in Figura 1.
In tale figura si osserva la terna dei conduttori (ognuno rappresenta il conduttore di fase, nel seguito denominata semplicemente fase) della sorgente 1 e la terna dei conduttori dello schermo 2 (uno per ogni fase della sorgente). Ognuno dei conduttori dello schermo 2 è parallelo ad un rispettivo conduttore di sorgente 1. Ogni fase della sorgente 1 concatena NI volte (N1=1) il nucleo magnetico 3; un avvolgimento 4 di N2 spire disposto sul nucleo 3 alimenta una fase dello schermo 2. Attraverso il nucleo magnetico 3 si effettua un accoppiamento magnetico praticamente ideale tra la fase della sorgente 1 e la fase della schermatura 2.
Il principio di funzionamento del sistema è schematizzato dal circuito equivalente riportato in Figura 2. Ogni fase della sorgente 1 rappresenta il primario di un trasformatore in cui il secondario è rappresentato dalla fase dello schermo 2 . Le correnti nelle due fasi, sorgente e schermo, sono quindi legate dal rapporto di trasformazione: N1/N2.
Nello schema di Figura 2 ad ogni fase è associato un nucleo 3; si ha quindi un numero di nuclei pari a NF ma è possibile ridurre il numero di nuclei a NF-1 come riportato in Figura 3.
Esistono molteplici varianti determinate dalla geometria della sorgente 1, dalla scelta della geometria e dal rapporto N1/N2.
La configurazione più semplice è quella rappresentata in Figura 4 in cui Nl=l ed N2=l (accoppiamento unitario) . In tale configurazione l'accoppiamento tra la sorgente 1 e lo schermo 2 è caratterizzata da un rapporto di trasformazione unitario e le correnti in schermo e sorgente coincidono in modulo.
Uno degli aspetti che rende la schermatura efficiente è rappresentata dal fatto che le due correnti, quella della sorgente e quella dello schermo sono naturalmente in opposizione di fase. Facendo riferimento alla Figura 5, che indica il circuito equivalente monofase dell'accoppiamento tra i due circuiti, in cui:
- la sorgente 1 è rappresentata dal generatore di corrente II;
- il nucleo magnetico 3 è rappresentato tramite il modello del trasformatore. Per cui Z0 descrive le perdite nel ferro e la corrente magnetizzante, il rapporto di trasformazione descrive l'accoppiamento tra sorgente 1 e schermo 2. Resistenza e reattanza induttiva dell'avvolgimento 4 sono rispettivamente descritte da RT e XT . Infine ISH, RSH e XSH rappresentano la corrente indotta, la resistenza e la reattanza induttiva del conduttore schermante 2.
Con riferimento a Figura 5 si ha che le correnti risultano pari a:
Se il nucleo è ben dimensionato la corrente IO che comprende perdite nel ferro e corrente magnetizzante risulta trascurabile per cui si può dire che:
Si ha quindi che la corrente che percorre i conduttori dello schermo 2 risulta naturalmente in opposizione di fase alla corrente della sorgente 1 e si evita di utilizzare capacità di compensazione (spesso usate nei loop passivi non solo per compensare l'induttanza ma anche per sfasare le correnti).
Il processo di progetto si basa sul dimensionamento del nucleo magnetico e la scelta della sezione dei conduttori dello schermo.
Data la linea si ha la massima corrente di linea (portata della linea), sorgente del campo che occorre schermare.
Si definisce la porzione, rispetto alla corrente sorgente, di corrente che si vuole utilizzare nello schermo, ovvero<k>SH .
Quindi si sceglie la corrente che deve percorrere i conduttori di una fase dello schermo è
Come mostrato in Figura 6, la corrente di schermo può ancora essere suddivisa in un certo numero di subconduttori nel numero di , equindi la corrente che percorre il singolo conduttore di schermo è data dalla relazione:
_ È bene notare che questa suddivisione risulta agevole in uno schermo monofase mentre in uno schermo trifase il ritorno della spira andrebbe a costituire un quarto filo di neutro ininfluente ai fini della schermatura. In un sistema trifase quindi il parametro ha valore unitario nella maggior parte dei casi. In questo contesto però se ne tiene conto per fornire un criterio di progetto il più generale possibile.
La corrente è fornita dal nucleo magnetico che concatena la corrente della sorgente; tale corrente percorre le N2 spire del nucleo magnetico 3.
Per la legge di Ampere è valida la seguente uguaglianza:
da cui deriva il numero di spire N2:
in cui Ni in genere è pari a 1 se il conduttore sorgente attraversa il nucleo una sola volta.
Un ulteriore variabile può essere rappresentata dal numero di vie della singola fase dello schermo (Figura 7). In questo caso ognuno dei nuclei magnetici 3 concatena un insieme di conduttori di sorgente 1 ed un rispettivo insieme di conduttori schermanti 2. Indicando con fase dello schermo l'insieme dei conduttori alimentati dal singolo nucleo, la fase può essere costituita da una o più vie in parallelo<N>v. Poter aumentare il numero di vie consente di aumentare il fattore di schermatura a parità di volume dei conduttori utilizzati. Ciascuna via è percorsa da una frazione
della corrente di• fase dello schermo:
Il numero di subconduttori che contribuiscono alla schermatura di una fase, cioè che vanno a costituire la corrente di fase schermante
risulta essere pari a:
Definiti i vincoli geometrici (generalmente le dimensioni massime dello spazio in cui porre lo schermo), scelto<k>SH, il numero di conduttori per fase dello schermo numero di vie<N>v si procede con il valutare la posizione ottimale delle fasi e delle vie dello schermo. Il calcolo può essere effettuato mediante algoritmi di ottimizzazione che ricercano la configurazione che minimizza il campo magnetico in una data regione.
Dimensionamento del nucleo magnetico: il nucleo magnetico deve essere in grado di fornire una tensione sufficiente a far circolare all'interno dei conduttori dello schermo la corrente definita. Il dimensionamento del nucleo magnetico si basa su:
scelta del materiale (da cui dipende l'induzione magnetica massima di lavoro);
- scelta della sezione trasversale del nucleo; e
- diametro interno del nucleo che deve essere sufficiente a permettere il passaggio del conduttore sorgente e dell'avvolgimento che alimenta lo schermo .
Facendo riferimento al circuito indicato in Figura 5, la tensione ai capi del secondario del trasformatore deve essere pari a:
Utilizzando il valore dell'induzione di saturazione del materiale con cui verrà composto il nucleo magnetico 3 si può quindi calcolare la sezione trasversale del nucleo nel modo seguente:
dove<ω>è la pulsazione angolare alla frequenza di rete.
L'applicazione sul campo del principio esposto consente diverse varianti anche per quanto riguarda la forma del nucleo. A titolo di esempio sono riportate alcune possibili geometrie del nucleo. Nello schema di Figura 8 la fase dello schermo è rappresentata da un unico conduttore mentre in Figura 9 ogni fase dello schermo è suddivisa in un certo numero di vie disposte simmetricamente rispetto alla fase della sorgente.
Il nucleo deve potersi aprire per la sua istallazione, per cui si è pensato ad un nucleo apribile tramite la cerniera.
L'invenzione in esame presenta il vantaggio di poter essere applicata a tratti di linea anche molto brevi. Questo ne estende l'utilizzo anche allo scopo di schermare la partenza delle linee di bassa tensione nelle cabine di trasformazione. A titolo di esempio in Figura 10 è riportato il possibile schema per mitigare il campo prodotto dalle sorgenti 1 che collegano il trasformatore 6 al quadro generale BT 7.
Il sistema presenta notevoli vantaggi:
è auto-adattativo essendo uno schermo passivo;
- non sono necessari sistemi di alimentazione dello schermo in quanto è la sorgente stessa che attraverso il nucleo magnetico alimenta lo schermo;
- le correnti sono molto più elevate che nei tradizionali schermi passivi (schermi- passivi magliati o schermi piani conduttivi);
- le correnti sono naturalmente in opposizione di fase e quindi permettono di ottenere il massimo effetto schermante per quanto riguarda la fase;
- il fattore di schermatura, a parità di costo con quelli passivi, può raggiungere valori pari a 20 (gli schermi passivi magliati costituiti da conduttori hanno fattore di schermatura circa 2-5) mentre quelli attivi sono molto più costosi a parità di fattore di schermatura;
i conduttori dello schermo possono essere nudi (es. conduttori in treccia) e quindi portare elevate densità di corrente, e
è possibile utilizzare, nel caso di accoppiamento con N2=1, lo stesso conduttore utilizzato per la sorgente con notevole vantaggio dal punto di vista dell'approvvigionamento.
Rispetto agli schermi sottili (lastre di materiale ferromagnetico o conduttivo) si hanno una serie di vantaggi:
Costo: il costo dei nuclei magnetici è estremamente ridotto in quanto non è necessario utilizzare materiali ferromagnetici con particolari caratteristiche (come accade ad esempio negli schermi ferromagnetici sottili in cui, a causa dei bassi campi magnetici di lavoro, è necessaria una permeabilità magnetica iniziale elevata);
Installazione: il nucleo magnetico deve essere posizionato attorno al cavo e può essere quindi costituito da due semigusci che vengono posizionati durante 1'installazione della linea od anche in un secondo tempo. Non è necessario realizzare dei terrapieni accurati come invece è richiesto nella posa degli schermi sottili; e
- Trasporto: gli schermi sottili, richiedendo delle complesse saldature, spesso vengono assemblati non in loco e quindi se di grosse dimensioni richiedono anche trasporti speciali.
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1. Sistema di schermatura per la mitigazione del campo magnetico prodotto da una pluralità di conduttori di sorgente (1) percorsi da correnti, comprendente: - una pluralità di conduttori schermanti (2) associata a detta pluralità di conduttori di sorgente (1), e una pluralità di nuclei magnetici (3) concatenanti detti conduttori di sorgente (1) e detti conduttori schermanti (2), in modo da realizzare un accoppiamento magnetico tra detti conduttori di sorgente (1) e detti conduttori schermanti (2), in cui i conduttori schermanti (2) di detta pluralità sono connessi tra loro in modo da formare un circuito chiuso, e sono percorsi da correnti indotte da detto accoppiamento magnetico.
- 2. Sistema di schermatura secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ognuno di detti conduttori schermanti (2) è parallelo ad un rispettivo tratto di conduttore di sorgente (1).
- 3. Sistema di schermatura secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la corrente che percorre ciascuno di detti conduttori schermanti (2) è in opposizione di fase rispetto alla corrente che percorre il rispettivo conduttore di sorgente (1).
- 4. Sistema di schermatura secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che: - ad ogni conduttore di sorgente (1) è associato un rispettivo conduttore schermante (2) ed un rispettivo nucleo magnetico (3), - ogni conduttore di sorgente (1) concatena NI volte detto nucleo magnetico (3), e - ogni conduttore schermante {2) concatena N2 volte detto nucleo magnetico (3) tramite un avvolgimento (4) disposto su detto nucleo magnetico (3).
- 5. Sistema di schermatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, caratterizzato dal fatto che: - ogni conduttore di sorgente {1) concatena una sola volta detto nucleo magnetico (3), e - ogni conduttore schermante {2) concatena una sola volta detto nucleo magnetico (3).
- 6. Sistema di schermatura secondo la rivendicazione 4 o la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che ogni nucleo magnetico (3) insieme con il rispettivo conduttore di sorgente (1) e il rispettivo conduttore schermante (2) realizza un trasformatore.
- 7. Sistema di schermatura secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che l'avvolgimento primario di detto trasformatore è realizzato da un conduttore di sorgente (1) e l'avvolgimento secondario di detto trasformatore è realizzato dal rispettivo conduttore schermante (2), e le correnti che scorrono rispettivamente nel conduttore di sorgente (1) e nel conduttore schermante (2) sono legate da un rapporto di trasformazione pari a N1/N2.
- 8. Sistema di schermatura secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che ognuno di detti conduttori schermanti (2) comprende una pluralità di sub-conduttori disposti in modo da formare una spira.
- 9. Sistema di schermatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, caratterizzato dal fatto che il numero dei nuclei (3) di materiale magnetico è minore del numero di detti conduttori di sorgente (1)·
- 10. Sistema di schermatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, caratterizzato dal fatto che ognuno dei nuclei magnetici (3) concatena un insieme di conduttori di sorgente (1) ed un rispettivo insieme di conduttori schermanti (2).
- 11. Sistema di schermatura secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che ciascuno di detti nuclei magnetici (3) ha una forma toroidale.
- 12. Sistema di schermatura secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che ciascuno di detti tori magnetici (3) ha un'apertura interna attraverso cui si estendono almeno uno di detti conduttori di sorgente (1) ed almeno uno di detti conduttori schermanti (2).
- 13. Sistema di schermatura secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che detto nucleo toroidale (3) è costituito da due semigusci .
- 14. Sistema di schermatura secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che i conduttori di sorgente (1) sono linee elettriche per il trasporto e la distribuzione di energia elettrica.
- 15. Sistema di schermatura secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che detto sistema di schermatura è utilizzato per schermare la partenza delle linee di bassa tensione nelle cabine di trasformazione.
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