ELETTRICA, ENERGIA
ELETTRICA, ENERGIA (XIII, p. 637; App. II, 1, p. 825)
Lo sviluppo assunto dalle applicazioni in cui essa sostituisce la energia umana o quella animale o costituisce la base fondamentale di processi che diversamente non sarebbe possibile compiere, lo sviluppo della tecnica delle telecomunicazioni, particolarmente rapido negli ultimi tempi, e la nascita dell'elettronica applicata, hanno determinato negli ultimi decennî un forte incremento della richiesta di energia elettrica. La produzione mondiale, dai 960 miliardi di kWh del 1950, è salita a quasi 2090 nel 1959: gli impianti di produzione di energia elettrica sono diventati via via più numerosi in tutti i paesi e la loro potenza unitaria si è accresciuta fino a diverse centinaia di migliaia di chilowatt: sono aumentate, fino a 380 kV e oltre, le tensioni delle linee di trasmissione trifasi, mentre sono stati installati i primi impianti di trasmissione d'energia a corrente continua ad alta tensione. Un progresso molto notevole è stato anche compiuto, intorno al 1950, negli impianti di produzione, trasmissione, distribuzione di e. e. a corrente alternata, con l'unificazione della frequenza, a 50 periodi al secondo nella gran parte del mondo, Europa compresa, a 60 periodi al secondo negli S.U.A. e nel Canadà.
Contemporaneamente, si è ampliata la ricerca di nuove fonti di energia e si è approfondito lo studio di processi sempre più efficienti per la utilizzazione di esse e di quelle tradizionali (v. energia, in questa App.). Specialmente importante sembra il contributo che dovranno dare in futuro due nuove fonti, l'energia solare, quasi affatto sfruttata oggi, e quella nucleare, messa a disposizione dell'uomo da meno di un ventennio. Studî recenti, riferendosi alle condizioni che si potranno verificare fra quasi 100 anni, intorno all'anno 2050, valutano la produzione mondiale annua di energia delle varie forme necessaria allora corrispondente a circa 100 miliardi di tonnellate di litantrace equivalenti (circa 24 volte maggiore di quella del 1958) e il contributo di queste due nuove fonti di energia pari a quasi 3/4 del totale (tab. 1); fra le due, la prima è da utilizzare in gran parte per scopi di riscaldamento, la seconda indubbiamente è da trasformare in misura non indifferente in energia elettrica, per essere trasportata a distanza e poi distribuita.
Quali che possano essere gli sviluppi futuri dell'utilizzazione delle varie fonti di energia, per quanto riguarda l'e. e., i prossimi decennî vedranno probabilmente un intenso sviluppo delle utilizzazioni idroelettriche, specie nei paesi in cui esso è ancora limitato, l'installazione di grandi impianti termoelettrici, l'utilizzazione dei vapori naturali e dell'energia delle maree nelle zone, sia pure circoscritte, di notevole disponibilità, poi, via via che si risolveranno i relativi problemi, l'installazione di grandi impianti termoelettrici nucleari. Parallelamente assumeranno importanza crescente gli impianti di trasmissione di e. e. e di interconnessione.
Impianti di produzione e di trasformazione di energia.
1. Compiti dei varî tipi di impianti di produzione di energia. - Per la copertura del diagramma giornaliero dei "carichi", nei sistemi di impianti a produzione prevalentemente idroelettrica, agli impianti idroelettrici "ad acqua fluente" (senza serbatoi), oltre che a quelli eventuali geotermoelettrici, è affidato il servizio di base, agli impianti idroelettrici a serbatoio e a quelli termoelettrici il servizio d'integrazione e "di punta". Nei sistemi di impianti a produzione prevalentemente termoelettrica, agli impianti termoelettrici viene affidato il servizio di base (mentre inevitabilmente mantengono le stesse mansioni gli impianti idroelettrici ad acqua fluente e quelli geotermoelettrici); agli impianti idroelettrici a serbatoio viene affidato il servizio di integrazione e di punta.
In Italia, seguito il primo tipo di esercizio fino a poco tempo fa, per la larga prevalenza della produzione idroelettrica, accrescendosi via via quella termoelettrica, si sta passando al secondo tipo di esercizio.
2. Impianti idroelettrici: v. idroelettrici, impianti, in questa App.
3. Impianti termoelettrici: v. termoelettrici, impianti, in questa App.
4. Stazioni di trasformazione. - Oltre che alla trasformazione dell'energia, queste stazioni provvedono quasi sempre alla regolazione della tensione e alla compensazione della potenza reattiva. Si ricorre in esse alla variazione del rapporto di trasformazione dei trasformatori (spesso sotto carico) e alla derivazione, in parallelo con le linee in uscita, attraverso eventuali trasformatori o avvolgimenti terziarî dei trasformatori principali, di reattori o di batterie di condensatori o di motori sincroni funzionanti a vuoto (sincroni compensatori), sopraeccitati o sottoeccitati per assorbire la potenza reattiva necessaria (compensazione trasversale).
Stazioni di compensazione vengono anche inserite a volte lungo le linee di trasmissione (specie quelle a tensione più elevata: 380 kV e oltre): in esse vengono inserite sulle 3 fasi della linea batterie di condensatori destinate a compensare in parte la reattanza induttiva di essa (compensazione longitudinale).
A eccezione dei trasformatori delle stazioni connesse agli impianti idroelettrici con centrali in caverna, i quali possono trovare posto anche essi in caverna o entro nicchie scavate nella roccia, trasformatori, autotrasformatori e apparecchiature per tensioni a partire da 50-60 kV, interruttori, sezionatori, scaricatori, ecc., sono installati all'aperto (tavv.; figg.1, 2). Le apparecchiature più leggere e le condutture di collegamento (sbarre, montanti) possono installarsi ad altezza limitata da terra, su isolatori portanti o strutture portanti di limitata altezza, o essere sostenute da alte incastellature e da catene di isolatori sospesi. Le incastellature, a volte in cemento armato, sono il più delle volte in ferro, a traliccio. Trovano posto "al chiuso", entro fabbricati, le apparecchiature per tensioni non oltre 30-40 kV, i collegamenti, i "quadri" di comando, misura, controllo, i servizi ausiliarî, ecc. e, quasi sempre, i sincroni regolatori: l'installazione di questi all'aperto, tuttavia, riesce a volte più economica e viene perciò preferita.
5. Generatori e motori sincroni, trasformatori, auto-trasformatori, interruttori, apparecchiature. - L'uso di lamierini magnetici a cristalli orientati laminati a freddo (con cifre di perdita ridotta fino a circa 0,5 W/kg per magnetizzazione nella direzione della laminazione), quello di acciai al cromo molibdeno ad alta resistenza, che ha permesso di fucinare in un sol pezzo i grandi rotori degli alternatori per turbine a vapore e di elevarne le velocità periferiche, i nuovi metodi di refrigerazione (refrigerazione a idrogeno e refrigerazione diretta - interna - dei conduttori) hanno permesso di accrescere da una parte i rendimenti, dall'altra, forzando l'utilizzazione dei materiali, la potenza unitaria delle macchine sincrone, particolarmente degli alternatori a rotore cilindrico, per turbine a vapore, pur con dimensioni tali da consentire il trasporto di statori e rotori completamente montati (v. dinamoelettriche, macchine, in questa App.).
In Italia si è giunti a potenze massime degli alternatori a 3000 giri/1′ sui 160-170 MVA, in Germania a 200 MVA; negli S. U. A., con una velocità di 3600 giri/1′, a 350-400 MVA. La potenza massima degli alternatori per turbine idrauliche è minore, scendendo a 50-100 MVA per velocità minime, di 50-100 giri/1′. I rendimenti (a cos ϕ = 1) sono saliti a 99% e oltre, per unità di potenza oltre 150 MVA.
Per gli alternatori bipolari di potenza intorno a 150 MW, si è circa al limite della possibilità di adozione di eccitatrici coassiali (potenza limite 400 kW in Europa, alquanto maggiore in America, dove si hanno minori esigenze nei riguardi della rapidità di risposta). Per potenze maggiori, si può ricorrere a eccitatrici separate o a macchine coassiali a corrente alternata, preferibilmente a media frequenza (400 Hz), e a raddrizzatori a semiconduttori.
Nei trasformatori (tavv., fig. 3), e negli auto-trasformatori, soprattutto l'uso di lamierini magnetici a cristalli orientati e di ossature magnetiche a cinque colonne, pur con dimensioni sempre tali da consentire il trasporto delle macchine completamente montate, ha permesso di raggiungere in unità trifasi potenze fino a 200-300 MVA, in unità monofasi potenze fino a 200 MVA, con tensioni di 220, 380, 500 kV. I rendimenti di unità da 150-180 MVA giungono a 99,5-99,6% a pieno carico, cos ϕ = 1. In tutti i tipi è quasi sistematica l'adozione di avvolgimenti antirisonanti atti ad avvicinare alla forma lineare la distribuzione lungo essi dei potenziali derivanti da sovratensioni a impulso provenienti dalle linee.
Gli auto-trasformatori vengono installati in molte stazioni di interconnessione, avendo peso, ingombro e costo tanto minori dei trasformatori corrispondenti, quanto più vicine fra loro sono le tensioni delle due linee che essi connettono.
Fra gli interruttori, il tipo classico in olio a volume normale, ancora prodotto per tensioni fino a 230 kV, resta ormai montato nelle stazioni di vecchie linee a questa tensione.
Il tipo in olio a volume ridotto, è prodotto in Italia e all'estero fino alla tensione di 380 kV, con potere di interruzione di 7500 MVA, e trova largo impiego nelle stazioni di linee fino a 220 kV (tavv.; fig. 4). Il tipo ad aria compressa, prodotto fino a. tensioni di 400 kV e oltre, con potere d'interruzione finoo a 20-25.000 MVA e oltre, è montato diffusamente sia negli impianti a 220 kV (tavv.; fig. 2), sia in quelli fino a 380 kV e oltre. È di data recente l'inizio, da parte dell'industria elettromeccanica francese, della costruzione di interruttori di questo tipo per gli impianti a 525 kV dell'URSS.
Oggi, accanto a questi, è nato un altro tipo di interruttore, a esafluoruro di zolfo, gas 5 volte più denso dell'aria, che, per la migliore capacità di estinzione degli archi, sembra dia affidamento di un più efficace comportamento degli interruttori. Questo tipo è stato già prodotto in esemplari con un potere di interruzione di 10.000 MVA a 138 kV e di 15.000 MVA a 230 kV, e comincia a entrare nella pratica di esercizio. Spetterà a questa di mostrarne i pregi e i difetti in confronto di quelli esistenti.
Molti progressi sono stati compiuti anche nei campi delle altre apparecchiature: di protezione dalle sovratensioni (scaricatori autovalvola, a caduta catodica, ecc.), che hanno acquistato diffusione sempre maggiore; di protezione dalle sovracorrenti, dalle messe a terra, ecc.; di regolazione. Per queste, tanto la regolazione interna delle singole reti, quanto quella delle interconnessioni, con sistemi di regolazione potenza-frequenza, ha conseguito notevoli perfezionamenti.
Impianti di trasmissione, interconnessione e distribuzione di energia elettrica a corrente alternata.
6. Trasporto delle varie forme di energia. - Dai grandi impianti idroelettrici e geotermoelettrici e dagli impianti che si trovano dislocati lontani dalle zone di consumo, il trasporto a distanza dell'energia deve avvenire attraverso linee elettriche di trasmissione. Ma quando occorra costruire delle centrali termoelettriche, la scelta della loro ubicazione, "a bocca di miniera o di pozzo" oppure in vicinanza di grandi porti, su grandi corsi d'acqua, o nelle zone di consumo, può far sorgere problemi di confronto fra il trasporto dell'e. e. e quello dei combustibili. A parte considerazioni pratiche (possibile saturazione di reti ferroviarie, stradali, ecc.), il problema è in buona parte d'indole economica.
Studî di alcuni anni fa hanno indicato che il più delle volte il costo della trasmissione dell'energia elettrica è superiore a quello del trasporto delle altre forme d'energia, a parità di quantità d'energia trasportata e di distanza di trasporto, in misura di i a 1,4-1,5 e più. Studî più recenti hanno rilevato che, per forti potenze e lunghe durate annue di utilizzazione, possono sussistere condizioni più favorevoli al trasporto dell'energia elettrica che a quello del carbone con sistemi di tipo discontinuo e a volte anche a quello dei gas naturali mediante gasdotti. I termini del confronto economico si possono modificare col tempo e possono risultare a favore del trasporto di energia elettrica, specie con l'accrescersi delle tensioni di trasmissione dato che crescendo le potenze da trasmettere e le distanze di trasmissione, quindi le tensioni di trasmissione, il costo unitario del trasporto diminuisce (fig. 1).
7. Limiti di tensione fra linee di trasmissione o di interconnessione e reti di distribuzione. - Tanto la trasmissione e l'interconnessione, quanto la distribuzione dell'e. e. vengono effettuate nella gran parte dei casi mediante linee a corrente alternata trifasi. La corrente continua nella distribuzione è usata per utenze particolari (trazione, elettrochimica, ecc.); l'uso di essa per la trasmissione è ancora circoscritto a pochi casi nel mondo.
La classificazione delle linee elettriche in linee di trasmissione o di distribuzione (grande e piccola distribuzione), oltre che sulle tensioni, è basata principalmente sulla configurazione dei sistemi a cui esse appartengono, costituiti da linee isolate o connesse secondo poche, grandissime maglie, o rispettivamente da reti complesse a maglie tanto più fitte quanto minore ne è la tensione.
Oggi, limiti fra le due categorie di linee possono considerarsi le tensioni di 120-150 kV. Le linee a queste tensioni, una volta isolate e considerate di trasmissione, si sono andate connettendo fra loro in reti a maglie via via più complesse e hanno assunto il carattere di grande distribuzione. Al di sotto di questi limiti, le reti sono da considerare di distribuzione. Al di sopra dei limiti di 120-150 kV, esistono oggi due grandi classi di tensioni di trasmissione, quella di 220 o 275-300 kV, quella di 300-345 o 380-400 kV, che consentono di trasmettere rispettivamente potenze da 150-200 a 400-600 MW e oltre a distanze da qualche centinaio fino a molte centinaia o a un migliaio di chilometri. Per la trasmissione di potenze più elevate e per distanze maggiori, sono allo studio o all'inizio dell'attuazione gradini più alti di tensione, 660-690 kV, particolarmente in Francia, Germania, Svezia, 460-500 kV o 575-600 kV particolarmente negli S.U.A. e in Inghilterra, 500 kV e tensioni più elevate, non ancora bene definite, nell'URSS.
8. Linee di trasmissione e di interconnessione. - Lo sviluppo delle maggiori linee risale al 1952 per il gradino 380-400 kV, con l'entrata in servizio della linea svedese da Harsprånget a Hallsberg, e al 1959 per il 500 kV, con la trasformazione o la costruzione diretta a questa tensione delle linee da Kuibiscev agli Urali e da Stalingrado a Mosca (URSS).
Oggi, in Svezia, è in esercizio una vasta rete di linee di trasmissione a 380-400 kV. Linee alla stessa tensione sono state costruite o sono in costruzione in Finlandia.
In Francia, due linee a 380 kV trasmettono energia dagli impianti idroelettrici del medio e alto Rodano e da quelli del Massiccio centrale alla zona di Parigi (fig. 2). In Germania, un sistema di linee a 380-400 kV, già in esercizio a questa tensione in un primo tronco, è destinato a collegare varî impianti idroelettrici alpini (tedeschi, dell'alto bacino del Reno, del Neckar, e austriaci, del Vorarlberg) con le centrali termoelettriche e le zone industriali della Vestfalia. In Svizzera, varie linee a 380 kV, in costruzione, collegheranno gli impianti idroelettrici del nord, prossimi al confine tedesco, con quelli del sud, particolarmente verso il confine italiano.
Questi sistemi di linee, francese, tedesco, svizzero, sono destinati a collegarsi fra loro in una unica rete di interconnessione dell'Europa occidentale, con cui si collegherà anche il sistema di linee italiano alla stessa tensione.
Una linea di questo sistema è in costruzione oggi fra gli impianti idroelettrici del Liro (Mese) e Bovisio (Milano), da dove si prevede che possa proseguire in futuro verso la zona industriale della Spezia e la grande centrale termoelettrica in costruzione presso questa città (v. sempre fig. 2). Essa si connetterà agli estremi della rete svizzera a 380 kV (Sils e Soazza) attraverso un'altra linea alla stessa tensione, che, per il passo della Forcola, giungerà appunto a Mese.
Nella nostra penisola, dopo le prime linee a 220 kV costruite nel 1928 e durante l'ultima guerra, a partire dal 1950 circa, accresciutesi le potenze da trasmettere a grande distanza, si è sviluppata un'ampia rete di linee a 220 kV che copre tutta la penisola (fig. 3) e si prolunga verso la Sicilia con un tronco di attraversamento dello stretto di Messina, mettendo in grado la rete peninsulare e quella siciliana di collegarsi in un'unica interconnessione generale. Verso l'estero, attraverso le Alpi, a parte quello in costruzione a 380 kV, esistono varî collegamenti a 220 kV.
Reti a tensione eguale o superiore ssistono o sono in costruzione nella URSS (a 500 kV, date le grandi distanze di trasmissione), negli S.U.A. (a 345 kV; regione industriale del nord-est, a sud dei laghi Michigan ed Erie, fra Chicago, Cleveland e Pittsburg), nel Canadà (a 345 kV; Ontario e Quebec, a nord-est dei laghi Huron, Erie, Ontario). In Argentina è in costruzione una linea a 380 kV, di progettazione italiana, della lunghezza di oltre 1000 km, dall'impianto idroelettrico di El Chocón (fiume Limay, Ande) a Buenos Aires, notevole anche per due stazioni intermedie di compensazione sia longitudinale, sia trasversale. Linee a 330 kV sono in costruzione in Australia (zona fra Melbourne e Sidney), e in Africa (Rhodesia, linea a 330 kV Kariba-Kitwe, che collegherà l'impianto idroelettrico di Kariba alla zona mineraria della Rhodesia settentrionale).
9. Tecnica costruttiva delle linee di trasmissione e di interconnessione a corrente alternata. - Le linee aeree sono equipaggiate con sostegni, in grandissima parte in ferro a traliccio, di tipo tronco-piramidale, con tre o sei mensole, secondo che si tratti di linea a una o a due terne, o a Δ o a portale (v. tavv.; figg. 6, 7, 9) con una terna di conduttori in piano. I tre tipi di sostegni hanno ingombro trasversale via via crescente e si adattano per l'attraversamento di zone via via meno intensamente coltivate e abitate. I conduttori, in alluminio-acciaio, sono semplici, o, per potenze maggiori, binati (tavv.; figg. 7,8,9) o multipli. Gli isolatori sono a catena, con elementi a cappa e perno, in porcellana o in vetro temperato. Esistono una o due corde di guardia, portate dalla cuspide o dalle cuspidi dei sostegni. Le fondazioni sono il più delle volte in calcestruzzo, con piedini separati. Strutture di sostegno eccezionali sono usate per le grandi campate di attraversamento.
La fig. 10 (in tav.) mostra la campata di attraversamento dello stretto di Messina. Questo impianto d'interconnessione ha tre campate, quella di attraversamento, della lunghezza di 3646 m, con due torri di sospensione dell'altezza di 224 m ciascuna, e due campate contigue, della lunghezza di 630 e 650 m circa, che fanno capo a due ormeggi terminali. Previsto per 2 terne di conduttori a 220 kV, l'impianto è in esercizio a 150 kV, con una terna di conduttori e un quarto conduttore di riserva. I conduttori sono costituiti da più trefoli cordati fra loro, ognuno formato da 1 filo elementare centrale di alluminio e da 6 fili circostanti d'acciaio al crogiolo, avente un carico di rottura di 180 kg/mm2,. La sezione complessiva dell'alluminio è di 45 mm2, quella dell'acciaio di 306 mm2. L'isolamento è ottenuto con 8 catene di 20 elementi ciascuna in ognuna delle torri di sospensione, con 12 catene di isolatori negli ormeggi terminali.
La penetrazione delle linee di trasmissione nelle città avviene mediante cavi sotterranei ad alta tensione. Cavi analoghi servono negli impianti idroelettrici per l'uscita all'aperto dalle stazioni di trasformazione, quando i trasformatori siano ubicati anch'essi, come le centrali, in caverna. Cavi sottomarini ad alta tensione devono essere usati per attraversare corsi d'acqua o bracci di mare molto ampî o per i quali si richiederebbero campate aeree troppo lunghe e costose.
Per le tensioni elevate di trasmissione si impiegano terne di cavi unipolari, i cavi tripolari restando limitati alle tensioni intorno a 30 kV, per le difficoltà che si presentano in essi di fronte al campo elettrico, alle tensioni più elevate.
Un tipo di cavo usato fino a 380-400 kV è quello "Emanueli" (dal nome di Luigi Emanueli [1881-1959] il tecnico italiano, direttore generale della Pirelli, che lo studiò per primo e lo introdusse nella tecnica), con dielettrico di carta e impregnamento di olio fluido. Altri tipi sono quelli a pressione di gas, esterno o interno, con dielettrico di carta completamente impregnato o poco impregnato. I cavi con isolante solido sintetico (cloruro di polivinile, polietilene, gomme sintetiche in genere), non si sono estesi oltre i 20-30 kV, a causa delle difficoltà costruttive che essi presentano per le tensioni più elevate.
10. Reti di distribuzione. - Nel campo delle reti di distribuzione, negli ultimi tempi, si sono verificati principalmente progressi di carattere pratico, legati all'addensamento delle reti a 120-150 kV e al loro passaggio alla categoria di reti di grande distribuzione, all'inizio del passaggio di tutte le reti alle tensioni normali (fissate per l'Italia, dal Comitato elettrotecnico italiano, nelle cifre di 1, 3, 6, 10, 15, 20, 30, 60, 80 kV e, per le reti cittadine, 125-220 V e 220-380 V; restano ancora, tollerata, la tensione di 160-275 V, destinata via via a scomparire, e quella di 500 V, all'interno di stabilimenti industriali) e, soprattutto, al lavoro di unificazione che viene compiuto sui materiali e le apparecchiature, per limitare i materiali di riserva e semplificare l'esercizio e la manutenzione. Si diffondono sempre più le apparecchiature blindate e si estende il riordinamento delle reti, col passaggio di molte di esse in cavo sotterraneo nei centri maggiori, dalla precedente costituzione con linee aeree, e col rinnovamento di molte linee aeree, in centri minori.
Impianti di trasmissione e d'interconnessione a corrente continua ad alta tensione.
11. Impianti sperimentali esistenti. Impianti in corso di costruzione. - Due impianti a carattere sperimentale sono in funzione, il primo dalla penisola scandinava all'isola di Gotland nel Baltico, il secondo da Kashira a Mosca. Due grandi impianti sono attualmente in costruzione, uno nell'Unione Sovietica (da Stalingrado al Donbass), l'altro attraverso la Manica.
L'impianto di Gotland, entrato in servizio nel 1953, è costituito da due stazioni di conversione d'estremità e dalla linea di trasmissione, della lunghezza di circa 100 km, in cavo sottomarino unipolare, unico, di andata, con ritorno della corrente via mare. La tensione è di 100 kV fra cavo e "terra", la corrente di 200 A, la potenza trasmessa di 20 MW. L'impianto Kashira-Mosca è costituito da due stazioni di conversione d'estremità e da una coppia di cavi sotterranei, unipolari. Trasmette a 112 km una potenza di 30 MW, con una tensione di 200 kV fra i due cavi e una corrente di 150 A.
L'impianto di trasmissione in costruzione nell'URSS, trasmetterà 750 MW, a ± 400 kV, quindi a 800 kV fra conduttori, dalla centrale di Stalingrado alla rete meridionale sovietica, nel Donbass, a una distanza di 475 km. L'entrata in servizio a tensione ridotta, è prevista verso la fine del 1961, quella a piena tensione verso la fine del 1963. L'impianto in cavo in costruzione attraverso la Manica è destinato a interconnettere la rete inglese trifase a 275 kV e quella francese trifase a 225 kV. Sono stati adottati per la tensione il valore di 100 kV (200 kV fra conduttori) e per la corrente il valore di 800 A; la potenza trasmessa sarà di 160 MW. Questi valori sono suscettibili di essere accresciuti in futuro. La messa in servizio dell'impianto, a tensione ridotta, è prevista per la fine del 1961.
12. Tecnica degli impianti a corrente continua ad alta tensione. - Lo schema usato per i convertitori è sistematicamente del tipo indicato dalla fig. 4, che comprende in serie diversi ponti trifasi di Graetz. I commutatori sono sempre muniti di griglie di comando, per consentire il funzionamento dei convertitori sia da raddrizzatori, sia da invertitori.
Per il proporzionamento delle linee aeree, sono state fatte numerose esperienze. Sull'uso dei varî tipi di cavi sottomarini per corrente continua ad alta tensione si hanno ancora poche indicazioni sperimentali. Varî studî ed esperienze sono stati compiuti sul ritorno delle correnti attraverso la terra o per via mare, sull'influenza di esse sulle bussole delle navi, che risulta modesta, ecc.
13. Confronto fra impianti di trasmissione e di interconnessione a corrente alternata e a corrente continua. - Le linee aeree di trasmissione a corrente continua, richiedendo soltanto 2 conduttori, invece di 3, altrettante serie di isolatori e dei sostegni e delle fondazioni più leggeri, hanno un costo minore di quelle trifasi; la differenza può giungere a 1/4 ÷ 1/2. Il confronto economico è ancora più vantaggioso per la corrente continua nel caso dei cavi, particolarmente sottomarini, perché alla riduzione da 3 a 2 del numero di cavi unipolari, si aggiunge il comportamento del dielettrico, migliore in massima sotto le tensioni continue, e quindi un costo minore del singolo cavo.
In un impianto di trasmissione a corrente continua, per contro, le stazioni di estremità non sono più soltanto di trasformazione, ma anche di conversione. Esse hanno perciò un costo superiore a quello delle stazioni di trasformazione, in misura di circa 2/3 a 3/4, a pari potenza reale passante. Nel confronto economico nasce perciò un limite di distanza di trasmissione, legato alla potenza da trasmettere, al di sopra del quale prevale l'economia della linea e riesce più economica la trasmissione a corrente continua, mentre al di sotto di esso prevale l'influenza delle stazioni d'estremità ed è più conveniente quella a corrente alternata. Con le potenze, di varie centinaia di megawatt, in giuoco in questi impianti, per le trasmissioni in linea aerea il limite è dell'ordine di 800-1000 km, per le trasmissioni in cavo sottomarino dell'ordine delle decine di chilometri. Spesso, il problema del confronto economico deve essere formulato in maniera diversa e non così semplice. Di più, nel confronto delle varie soluzioni, intervengono molti fattori tecnici. In complesso, il problema non può risolversi che caso per caso.
Nonostante i loro vantaggi, gli impianti di trasmissione a corrente continua ad alta tensione si diffondono con lentezza, perché l'esperienza su essi data soltanto da pochi anni e ad essi si richiede un impegno molto notevole fin da oggi, a causa delle forti potenze da trasmettere e delle distanze da coprire, sia in linea aerea, sia in cavo.
Impianti di utilizzazione d'energia elettrica.
14. Gli impianti di utilizzazione di e. e. hanno subìto anch'essi nei periodi più recenti una notevole evoluzione, sia per i progressi compiuti dalle varie apparecchiature, sia per la larga diffusione dell'automatizzazione. Nell'illuminazione elettrica, privata e pubblica, si sono molto diffusi i tubi a fluorescenza e le lampade fluorescenti a bulbo; quelle allo xenon principalmente per l'illuminazione di grandi palcoscenici, riprese cinematografiche, stabilimenti cartarî, tessili, ecc., in cui si richiedono una forte illuminazione e una resa molto fedele dei colori.
Hanno acquistato larga diffusione gli apparecchi elettrodomestici (v. elettrici, apparecchi, in questa App.), mentre graduale e modesta è stata l'evoluzione delle applicazioni elettroagricole. In Italia, intorno al 1950, hanno richiesto un cospicuo lavoro di trasformazione gli impianti di sollevamento d'acqua per prosciugamento e per irrigazione, per l'adeguamento alla frequenza unificata di 50 periodi a secondo. Per le applicazioni industriali, i maggiori progressi e sviluppi si sono verificati nelle industrie elettrochimiche, metallurgiche, meccaniche.
Nelle industrie elettrochimiche, hanno avuto larga diffusione grandi gruppi convertitori statici dotati prima di commutatori a vapore di mercurio, poi anche di raddrizzatori a contatti, oggi specialmente dei recentissimi raddrizzatori a germanio. Per gli azionamenti meccanici, si è ricorso ai motori trifasi sincroni quando si è dovuto accrescere il fattore di potenza dell'impianto, ai motori trifasi asincroni quando si è voluto dare maggior peso alla semplicità e al minor costo d'impianto. Il motore trifase a collettore è stato usato a volte, nei limiti, particolarmente di potenza, che gli impongono le sue caratteristiche. Il motore a corrente continua, con eccitazione preferibilmente indipendente o in derivazione, alimentato generalmente dalle reti trifasi attraverso gruppi di conversione rotanti, Ward-Léonard, Ilgner per i grandi laminatoi specialmente reversibili, o attraverso raddrizzatori a vapore di mercurio con regolazione di griglia, ha avuto le maggiori applicazioni, specie nei casi in cui si richiede regolazione di velocità entro ampî limiti. Per le applicazioni della e. e. alla trazione ferroviaria, v. ferrovia; metropolitana, in questa App.
Altre categorie di applicazioni richiedono energia elettrica con caratteristiche particolari. Negli impianti di telecomunicazione e specialmente in quelli di televisione, si rendono necessarie la stabilizzazione della tensione, effettuata mediante alimentatori stabilizzati basati sull'uso di elementi elettronici (reattori saturabili e circuiti elettronici di regolazione), e la regolazione della frequenza mediante regolatori delle reti elettriche, in maniera che gli scarti dai valori normali non siano superiori a 1-2‰. Per impianti di sensibilità e di importanza particolari, si può ricorrere a gruppi convertitori speciali a frequenza stabilizzata.
Esercizio degli impianti. Studî, esecuzione, collaudo. Costi.
15. Sistemi di impianti di produzione, trasmissione, distribuzione di energia elettrica. Loro esercizio. Studî, prove, collaudo. - Gli impianti di produzione, trasmissione, distribuzione di e. e. sono connessi fra loro in sistemi regionali o nazionali, che servono vaste regioni o interi paesi, facendo fronte alle esigenze dell'utenza con la maggiore economia e le migliori garanzie di continuità e di regolarità del servizio.
In esercizio normale e durante i periodi transitorî successivi a perturbazioni, incidenti, guasti, la regolazione della frequenza del sistema e della tensione in punti determinati di esso, le manovre di disinserzione e di reinserzione o di inserzione in servizio di parti guaste degli impianti o rimaste integre o di quelle ulteriori necessarie per far fronte alla richiesta, vengono effettuate attraverso apparecchiature automatiche, di regolazione e di protezione. Quelle di regolazione tendono a contenere le variazioni della frequenza entro limiti molto ristretti (0,05-0,1 periodi a secondo in condizioni normali) e quelle delle tensioni entro limiti tanto più ridotti quanto maggiore è l'importanza del settore di impianti interessato. La regolazione dei singoli sistemi è fatta attraverso regolatori di rete (regolazione "interna" o "di rete"); quella della potenza scambiata attraverso le linee di interconnessione mediante i sistemi automatici di regolazione frequenza-potenza, oggi usati quasi generalmente (v. il § Generatori e motori sincroni, ecc.).
Le operazioni d'esercizio vengono seguite e dirette da un certo numero di posti di controllo ("ripartitori dei carichi" e "ripartitore centrale dei carichi").
L'analisi del funzionamento di ogni sistema di impianti in esercizio, in condizioni statiche e dinamiche, la determinazione degli elementi di proporzionamento di un sistema in progettazione, la risoluzione dei sistemi di equazioni integro-differenziali che regolano i fenomeni (per i circuiti esse sono del tipo indicato con [1] nella voce circuito elettrico, in questa App.), vengono eseguite preferibilmente mediante analizzatori o modelli di rete.
In molti paesi, per lo studio degli impianti, specialmente ad altissima tensione, sia a corrente alternata, sia a corrente continua, per il loro proporzionamento e per la loro progettazione, sono stati creati istituti e centri di studio attrezzati in maniera specifica. Essi vengono anche utilizzati per le prove di collaudo dei materiali e delle apparecchiature.
In Italia un centro del genere è stato creato a Lambrate (Milano; Centro elettrotecnico sperimentale italiano, C.E.S.I.). Esso è attrezzato per risolvere i problemi inerenti al funzionamento degli impianti (col modello di reti), per l'esecuzione delle prove di corto circuito (specialmente sui grandi interruttori) e per le prove ad altissima tensione (v., nella fig. 5 delle tavv., i trasformatori di prova per tensioni fino a 2.000.000 V, il generatore d'impulsi per tensioni fino a 3.000.000 V e lo spinterometro a sfere, per la misura di queste tensioni).
16. Impianti elettrici italiani di produzione, trasmissione, distribuzione di energia, nel 1958. - Le tabelle 2 a 6 illustrano la costituzione del complesso degli impianti elettrici italiani di produzione, trasmissione, distribuzione d'energia elettrica, alla fine dell'anno 1958, e ne forniscono i dati fondamentali dell'esercizio, con riferimento allo stesso anno.
Nelle tab. 2 e 3, le potenze efficienti costituiscono le potenze massime che possono essere prodotte in servizio continuo, esclusi i sovraccarichi; nella tab. 2 le quantità di energia producibili annualmente sono riferite all'anno idrologico medio. Con la tab. 4 è da mettere in relazione la fig. 3. Le tabelle mostrano in particolare la disuniforme ripartizione fra i grandi raggruppamenti regionali italiani delle potenze, della produzione, dei consumi: in Italia settentrionale i consumi industriali salgono a quasi 3/4 del totale; nell'Italia centrale e in quella meridionale, i consumi per illuminazione, usi domestici, trazione e servizi salgono quasi a 15% ciascuno; nelle Isole, il consumo per illuminazione sale a oltre 20% del totale. Con queste cifre sono anche da mettere in relazione quelle dei consumi di energia per abitante, di circa 1200, 740, 270, 220, nei quattro raggruppamenti regionali e di 760 kWh/ab., medio generale nell'Italia.
17. Costo di costruzione degli impianti. Costo dell'energia elettrica. - Il costo di costruzione degli impianti idroelettrici varia molto con la potenza e le caratteristiche, specialmente idrauliche, dell'impianto. D'ordinario, esso viene riferito alla producibilità annua media di energia, suddividendo gli impianti nelle tre categorie, ad acqua fluente (senza serbatoi), con serbatoi per regolazione totale, con serbatoi per servizio di sola integrazione. Per queste tre categorie e per impianti di grande potenza, in Italia, i dati aggiornati ad alcuni anni fa variavano fra 40 e 50 L/kWh, 70 e 80 L/kWh, e intorno a 100 L/kWh producibile annualmente. Con queste cifre, si può tenere conto che la durata annua di utilizzazione della potenza installata in questi impianti va da 3 ÷ 4000 a 5÷ 6000 ore/anno.
Per gli impianti termoelettrici dei tipi costruiti fino ad alcuni anni fa, con gruppi generatori di potenza fino a 60 MVA, il costo si aggirava intorno a 100 ÷ 120.000 L/kW installato.
Per gli impianti nucleo-termoelettrici, i costi di installazione sono varie volte superiori a quelli degli impianti termoelettrici tradizionali.
Per linee di trasmissione aeree a 220 kV, in Italia, il costo può andare da 8 a 10.000.000 L/km, per linee a una terna di conduttori semplici, e da 13 a 14.000.000 L/km, per linee a 2 terne di conduttori semplici sulla stessa palificazione, passando dalle minori alle maggiori sezioni di conduttori e dai tronchi di pianura a quelli di montagna. Per le linee alla stessa tensione a una terna di conduttori doppi il costo va da 10 a 12.000.000 L/km. Per linee straniere a tensione da 275 kV a 380 kV, con 1 o 2 terne di conduttori, vengono riferiti costi da 16 ÷ 17.000.000 L/km a 40.000.000 L/km.
Per il costo dell'e. e., pur con l'incertezza che presentano inevitabilmente delle cifre medie, determinazioni di specialisti fatte pochi anni fa danno, "ai morsetti degli alternatori", un costo di circa 6 L/kWh, per impianti ad acqua fluente, senza serbatoio; per impianti con serbatoio, un costo di circa 8 L/kWh, se si tratta di impianti a regolazione totale (energia completamente regolata) e di circa 12 L/kWh, se si tratta di impianti di sola integrazione (energia di integrazione destinata a scopi di regolazione).
Il costo dell'energia termoelettrica, per impianti recenti, ma non degli ultimi tipi, con durate annue di utilizzazione della potenza installata di 1500-2000 ore, quali si avevano fino a una decina di anni fa per scopi di integrazione stagionale anche piuttosto prolungata, era calcolato intorno a 15-16 L/kWh; per durate di utilizzazione di 5-6000 ore e oltre, esso scendeva a circa 10 L/kWh. Con gli impianti termoelettrici dei tipi più recenti, con rendimenti più elevati e con le durate di utilizzazione annua prolungate corrispondenti al servizio di base, si può forse scendere ai 3/4-2/3 della cifra precedente, avvicinandosi così o rasentando i costi dell'energia idroelettrica.
Il costo del trasporto dell'e. e. è indicato a titolo d'orientamento dal diagramma della fig. 1; per una distanza di trasmissione di qualche centìnaio di chilometri, questo fornisce cifre dell'ordine di 1 L/kWh. Vedi tav. f. t.
Bibl.: Annate varie, soprattutto dal 1950 a oggi, delle riviste: L'Elettrotecnica; L'energa elettrica; Revue générale d'électricité; E.T.Z.; Revue Brown Boveri; Electrical Engineering; inoltre: Atti della riunone annuale di Roma dell'A.E.I., 1957; A.N.I.D.E.L., Relazioni del Consiglio all'Assemblea dei soci, Roma 13 ottobre 1959 e 13 ottobre 1960; U.N.I.P.E.D.E., Carte des réseaux de transport de l'énergie électrique en Europe, Parigi 1958; particolarmente, articolo di aggiornamento: S. Paris, La tecnica del trasporto di energia elettrica. Notizie del 1958, in Elettrotecnica, 1958, p. 404.