Lo schema di una rete di distribuzione dell’energia elettrica è un grafo che rappresenta le connessioni fra i punti di alimentazione (o fonti di energia) ed i punti di utilizzazione (i cosiddetti “carichi”). Le connessioni possono essere radiali, ad anello, parallele o a maglie, passando quindi da semplici strutture (con il minor numero di rami per connettere tutti i nodi) a strutture via via più complesse che sono ridondanti, con collegamenti alternativi fra i nodi della rete. La definizione dello schema più adatto non è solo un problema geometrico, ma anche un aspetto fondamentale di un progetto di rete elettrica.
La distribuzione dell’energia elettrica viene effettuata dalle reti di distribuzione. La funzione principale di un sistema di distribuzione di energia elettrica è quella di fornire energia ai singoli consumatori. La distribuzione di energia elettrica ai consumatori finali è effettuata a un livello di tensione molto basso. Le reti di distribuzione sono costituite dalle seguenti parti principali: sottostazione di distribuzione, linea di distribuzione primaria, trasformatore di distribuzione, distributori, interruttori di rete.
L’energia elettrica trasmessa viene ridotta di tensione nelle sottostazioni, a scopo di distribuzione primaria. Questa energia elettrica a bassa tensione viene inviata al trasformatore di distribuzione attraverso le linee di distribuzione primaria. Quelle sopraelevate sono supportate principalmente da pali, ed i conduttori sono montati sui bracci del palo mediante isolatori a perno. Alcune volte, in luoghi particolarmente congestionati, vengono usati dei cavi sotterranei la distribuzione primaria.
La scelta di uno schema – o topologia – di distribuzione dell’energia elettrica è un problema secondo solo all’analisi delle esigenze di carico e delle caratteristiche delle fonti. Una volta che il tipo e l’architettura dello schema opportuno per le esigenze di servizio sia stato scelto, è necessario analizzare – anche da un punto di vista quantitativo – le condizioni nominali e transienti della rete, al fine di confrontare le possibili alternative e fare le scelte definitive sullo schema da adottare.
Esistono 4 tipi fondamentali di design del sistema di distribuzione elettrico: (1) radiale; (2) ad anello; (3) a linee parallele; (4) a maglie, o interconnesso. Come ci si può aspettare, è possibile usare le combinazioni di questi sistemi, e questo viene spesso fatto. Nei primi sistemi di distribuzione di energia elettrica, tuttavia, il sistema utilizzato era quello radiale: diverse linee di distribuzione uscivano radialmente dalla sottostazione ed erano collegate al primario del trasformatore di distribuzione.
Schema di un sistema di distribuzione elettrico radiale. Ha una sola fonte di alimentazione per un gruppo di clienti. Ogni rettangolo rappresenta una sottostazione.
Ma il sistema di distribuzione radiale dell’energia elettrica radiale ha un grosso svantaggio: che, in caso di guasto della linea, i consumatori associati non riceverebbero alcuna energia in quanto non c’è un percorso alternativo per alimentare il trasformatore, per cui l’alimentazione verrebbe interrotta. Anche in caso di guasto del trasformatore, il consumatore nel sistema di distribuzione elettrica radiale si troverebbe nell’oscurità finché la linea o il trasformatore non vengono riparati.
Una sottostazione (un rettangolo in figura) riceve la sua energia dalla rete di trasmissione, la potenza viene ridotta con un trasformatore e inviata a un bus da cui le linee si aprono in tutte le direzioni attraverso la campagna, trasportando la potenza ad altre sottostazioni. Nel caso in cui una linea sia guasta, il dispositivo di protezione spegne questa linea, il che implica che tutte le sottostazioni a valle e anche le relative linee vengono disalimentate, riducendo l’affidabilità di questa topologia di rete.
Per prima cosa è necessario riparare il guasto nell’alimentatore rotto – cosa che può richiedere molto lavoro e tempo – per poter ri-alimentare la linea e le sottostazioni a valle. Ciò riduce l’affidabilità complessiva del sistema, vulnerabile ad es. a un cortocircuito o ad una linea di alimentazione interrotta. Il sistema di distribuzione radiale è tuttavia il più economico da costruire ed è ancora oggi ampiamente utilizzato nelle aree scarsamente popolate, anche del nostro Paese.
L’inconveniente del sistema di distribuzione di energia elettrica radiale può essere superato introducendo un sistema principale ad anello per la distribuzione di energia elettrica. Qui un anello di distributori è alimentato da più di una linea. In questo caso, se una linea si guasta o è in manutenzione, il distributore dell’anello è ancora energizzato da altre linee ad esso collegate. In questo modo la fornitura ai consumatori non viene influenzata anche quando una linea elettrica va fuori servizio.
Schema di una rete di distribuzione ad anello. La sottostazione A contiene un trasformatore che trasforma i 150 kV in 10 kV che alimentano una rete di media tensione a 10 kV. La rete ad anello contiene cinque sottostazioni B1, B2, B3, B4 e B5. Tale sottostazione può contenere un trasformatore di distribuzione che trasforma i 10 kV in 230 V.
Inoltre, il sistema principale ad anello è dotato anche di diverse sezioni isolate in diversi punti adatti. Se si verifica un guasto su una qualsiasi sezione dell’anello, questa sezione può essere facilmente isolata aprendo i relativi isolatori di sezione direttamente su entrambi i lati del trasformatore di zona difettoso. In questo modo, l’alimentazione ai consumatori collegati alla zona sana dell’anello può essere facilmente mantenuta anche quando una sezione dell’anello è in arresto per una qualche ragione.
Un sistema ad anello, come suggerisce il nome, passa attraverso l’area servita e ritorna al punto originale. L’anello è solitamente legato a una fonte di energia alternativa. Posizionando degli interruttori in posizioni strategiche, l’utility può fornire energia al cliente da entrambe le direzioni. Se per una qualche ragione – ad es. un guasto – una fonte di energia viene meno, gli interruttori vengono azionati (automaticamente o manualmente) e l’alimentazione può essere fornita ai clienti dall’altra fonte.
Il sistema ad anello offre una migliore continuità di servizio rispetto al sistema radiale, con solo brevi interruzioni per la commutazione. In caso di interruzioni di corrente dovute a guasti sulla linea, l’utility deve solo trovarli e staccarsi per ripristinare il servizio. Il guasto stesso può quindi essere riparato con un minimo di interruzioni del cliente. Il sistema ad anello è più costoso del radiale perché sono richiesti più interruttori e conduttori, ma la conseguente maggiore affidabilità del sistema spesso vale il prezzo.
Il numero di linee elettriche collegate al sistema di distribuzione di energia elettrica principale ad anello dipende da: (1) richiesta massima del sistema: se è superiore, più linee alimentano l’anello; (2) lunghezza totale dell’anello di distributori principali: se la sua lunghezza è maggiore, per compensare la caduta di tensione nella linea, più linee vanno collegate al sistema ad anello; (3) regolazione della tensione richiesta: il numero di linee collegate dipende anche dalla caduta di tensione ammissibile della linea.
Un maggiore livello di affidabilità rispetto ai sistemi di distribuzione radiali si ottiene, sebbene a un costo più elevato, con linee parallele. Nel caso di un guasto di linea, sarà interessato solo uno dei set di cavi della linea, consentendo in tal modo alla rimanente linea parallela di continuare a fornire il carico. Per migliorare il fattore di affidabilità, è possibile che i set separati di cavi seguano percorsi diversi. In questo caso il costo del sistema è, sostanzialmente, il doppio di quello di un sistema radiale.
Un sistema di distribuzione a linee parallele semplicemente raddoppia il set di cavi (in figura un set singolo), che possono anche seguire percorsi diversi.
Tuttavia, con un sistema di distribuzione a linee parallele esiste un fattore di affidabilità maggiore per la linea. Questo può essere giustificato se il carico è maggiore, vengono forniti più clienti o ci sono carichi come ospedali che richiedono alti livelli di affidabilità. Le linee parallele sono più comuni nelle aree urbane o per l’alimentazione di singoli grandi clienti, in cui è possibile che si verifichi una perdita di carico – che occorre cercare in tutti i modi di evitare – in caso di emergenza.
Infine, i sistemi di distribuzione elettrica a maglie o interconnessi sono i più complicati, e sono sistemi di anelli interdipendenti. Un determinato cliente può essere fornito da due, tre, quattro o più linee diverse. Ovviamente, il grande vantaggio di un tale sistema è l’affidabilità aggiunta: è possibile fornire un’alternativa ai clienti in caso di guasto di una linea. Tuttavia, è anche il più costoso. Per questo motivo viene solitamente utilizzato solo in aree urbane o del centro congestionate ad alta densità di carico.
La spesa aggiuntiva di un sistema a maglie può essere giustificata dal carico e del numero di clienti molto più grandi che sono interessati dal guasto delle linee ai livelli di trasmissione o sub-trasmissione. La regola generale è che, quando sono coinvolti grandi carichi o un numero di clienti, una forma di ridondanza deliberata, è incorporata nella progettazione della rete, attraverso l’uso di linee di tipo parallelo, a maglie o ad anello. Solo nelle aree rurali si considera l’utilizzo della sola fornitura radiale.
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