IL PASSAGGIO DA NEUTRO ISOLATO A NEUTRO COMPENSATO...

IL PASSAGGIO DA NEUTRO ISOLATO A NEUTRO COMPENSATO NELLE RETI DI

MEDIA TENSIONE

Alberto Cerretti

ENEL DISTRIBUZIONE SPA

Maggio 2006

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Con riferimento al 2004:•Numero totale di linee MT: 22.450;•Estensione rete MT: 334.470 km;•Sbarre MT di Cabine Primarie: 3.760;•Clienti MT: 92.500;•Cabine secondarie MT/BT: 351.000;•Cabine secondarie telecontrollate: 72.200;•IMS da palo telecontrollati: 13.400.

ALCUNI DATI SULLA RETE MT ENEL DI DISTRIBUZIONE

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L’ inventore fu Waldemar Petersen e la prima applicazione del sistema venne realizzata nel 1917 a Ludwigsburg(Germania) in una rete a 10 kV.Vi sono varie modalità di realizzare la messa a terra del neutro tramite impedenza, in funzione delle protezioni contro i guasti a terra delle linee MT e del tempo di eliminazione del guasto a terra. La tipica soluzione ENEL per il sistema di neutro a terra risonante è: Bobina Mobile e Resistori, Controllore di Bobina e Dispositivo di Monitoraggio Isolamento. Ciò consente di adottare protezioni di terra direzionali Wattmetriche, coniugando la rapidità di selezione e di eliminazione del guasto con bassi valori di correnti di guasto negli impianti di terra.

COS’E’ LA BOBINA DI PETERSEN

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Il neutro a connesso a terra tramite impedenza realizzato da ENEL permette di conseguire i seguenti benefici:

• aumentare la probabilità di autoestinzione dei guasti monofase evitando l’ apertura dell’ interruttore di linea;

• inibire il riadescamento dei guasti e quindi ridurre le interruzioni lunghe;

• ridurre il numero, l’ ampiezza, la durata delle sovratensioni sostenute;

• ridurre i rischi dell’ arco intermittente;• limitare la corrente di guasto monofase a terra facilitando la realizzazione degli impianti di terra delle cabine MT/BT;

• Incrementare la sensibilità per i guasti a terra ad alta resistenza

COS’E’ LA BOBINA DI PETERSEN

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Negli anni 50 alcune società elettriche usavano le bobine di Petersen, fino alla tensione 50 kV. Durante gli anni 60, ENEL valutò l’esercizio della rete a neutro isolato, neutro compensato con bobina di Petersen e neutro a terra con una resistenza di basso valore. La migliore soluzione si dimostrò l’esercizio con bobina di Petersen, ma fu scelto il neutro isolato.Nel 1992, a causa del crescente utilizzo di cavi MT (tasso di crescita delle conrrenti di guasto a terra superiore al 3% annuo) e del valore medio di corrente di guasto a terra per le reti 20 kV e 15 kV (superiore a 135 A) fu nuovamente deciso di provare le bobine di Petersen in 2 impianti (Donada e Corvara).

CENNI STORICI

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La prima fase della sperimentazione terminò nel 1995.Nel 1999 venne realizzato un altro impianto prototipale, molto simile alle soluzioni successivamente unificate (Reana). Circa 30 bobine di Petersen furono messe in esercizio fra il 1999 ed il 2000 con ottimi risultati, sia per quanto riguarda la riduzione delle correnti di guasto a terra, sia per quanto riguarda la riduzione delle interruzioni transitorie, brevi e lunghe.Successivamente, fra il 2001 ed il 2003, la soluzione fu completamente standardizzata, in modo tale da consentire numerose configurazioni possibili con un limitato numero di componenti.

CENNI STORICI

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CENNI STORICIFurono introdotti numerosi miglioramenti relativamente all’automazione di Cabina Primaria ed il sistema di protezione, ai TA omopolari, alle specifiche tecniche dei TR AT/MT e fu realizzata una integrazione spinta della messa a terra del neutro con l’automazione di rete MT.Dopo la regolazione imposta dall’Autorità per l’Energia Elettrica ed il Gas a partire dal 2000 relativa alla durata cumulata delle interruzioni lunghe per i clienti BT, ENEL cambiò la propria strategia ed i criteri di esercizio della rete, decidendo di adottare la messa a terra del neutro tramite bobine di Petersen in maniera generalizzata. L’ultima versione del piano prevede l’installazione di bobine su tutte le sbarre MT di CP esercite a 9 lV, 10 kV, 15 kV e 20 kV.

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PIANO DI INSTALLAZIONEIl ritorno dell’investimento valutato nel 2001 considerava i seguenti termini:•Minore costo per la realizzazione e la manutenzione dei dispersori delle CS;•Minore costo del personale per la selezione e la riparazione dei guasti;•Premi da parte dell’AEEG per la riduzione di durata cumulata delle interruzioni lunghe per clienti BT.Sulla base dei premi penali vigenti all’epoca, dei dati sulla qualità del servizio relativi all’anno 2000 e dei risultati di esercizio conseguiti dalla messa a terra del neutro tramite bobina di Petersen, il ritorno dell’investimento venne calcolato inferiore a 4 anni.

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PIANO DI INSTALLAZIONE (vers. 2004)

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La valutazione dell’investimento non è stata più effettuata da allora, anche se sono cambiati numerosi elementi:•il valore dei premi/penali AEEG si è ridimensionato nel periodo regolatorio 2004-2007;•Il costo delle protezioni di linea MT ha avuto una riduzione del 30% nel periodo (2002-2005);•Il costo delle bobine mobili con i relativi apparati di controllo, delle bobine fisse e degli altri apparati elettronici necessari in CP ha avuto una riduzione compresa fra il 21% ed il 24% nel periodo (2001-2005); •infine, nel periodo regolatorio 2004-2007 è stata introdotta la regolazione delle interruzioni lunghe per cliente MT.

PIANO DI INSTALLAZIONE

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I costi adimensionali delle principali soluzioni unificate ENEL (anno 2005) sono riportati nella Tabella successiva


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Bobine di Petersen in esercizio

326

117

263

443 432

41

468 1793

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

2000 < 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006anno

n° b

obin

e

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Messe in esercizionell'annoMesse in eserciziocomplessive

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SITUAZIONE EUROPEA

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SITUAZIONE EUROPEA

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SITUAZIONE EUROPEA

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Turin 6-9 June 2005

Changes in international standard

(insulation coordination)

An increased sensitivity of the customer to their supply

EDF modifies its MV neutral policy :by replacing theby replacing the impedantimpedant grounding grounding

of the rural MV network by a Petersen coils of the rural MV network by a Petersen coils

Important expansion of the underground network

Chilard FR Session 3 – Block 3a – Paper ID 39

SITUAZIONE EUROPEA

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SOLUZIONI TIPICHE

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SOLUZIONI TIPICHE

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SOLUZIONI TIPICHE

20 /113

SOLUZIONI TIPICHE

21 /113

SOLUZIONI TIPICHE

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SOLUZIONI TIPICHE

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IMPIANTO PROTOTIPALE DI REANA

185 A coils

185 A coils

SOLUZIONI TIPICHE

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Connection of MV neutralbushing

Connessione al centro stella

del TR AT/MT

SOLUZIONI TIPICHE

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Sbarra di neutro – CP RIVOLI

SOLUZIONI TIPICHE

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Bobina fissa a prese (80 A ÷ 200 A) DT 1097 + resistenza da 385 Ω/770 Ω DT 1110 – CP RIVOLI

SOLUZIONI TIPICHE

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385 A coil

Bobina mobile (60 A ÷ 300 A) DT 1096 – CP MOGLIANO

SOLUZIONI TIPICHE

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385 A coil

Bobina mobile (60 A ÷ 300 A) DT 1096 – CP MOGLIANO

SOLUZIONI TIPICHE

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Controllersand insulation

monitoringsystems

Controllore (DV 1027) + Monitoraggio Continuo Isolamento (DV 1029) – CP MOGLIANO

SOLUZIONI TIPICHE

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Bobina mobile (60 A ÷ 300 A) DT 1096 – CP GARDA

SOLUZIONI TIPICHE

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Controllore (DV 1027) + Monitoraggio Continuo Isolamento (DV 1029) – CP GARDA

SOLUZIONI TIPICHE

32 /113Bobina mobile (60 A ÷ 300 A) DT 1096 – CP PESCHIERA

SOLUZIONI TIPICHE

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Controllore (DV 1027) + Monitoraggio Continuo Isolamento (DV 1029) – CP PESCHIERA

SOLUZIONI TIPICHE

34 /113Bobina mobile (60 A ÷ 300 A) DT 1096 – CP PALU’

SOLUZIONI TIPICHE

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Controllore (DV 1027) + Monitoraggio Continuo Isolamento (DV 1029) – CP PALU’

SOLUZIONI TIPICHE

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Gestore Stato del Neutro DV 966 – CP PALU’

SOLUZIONI TIPICHE

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Oscilloperturbografo DV 947 + Monitoraggio IMpianto DV 928 – CP PALU’

SOLUZIONI TIPICHE

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BOBINE FISSE O MOBILILa soluzione ENEL per la messa a terra del neutro tramite bobine di Petersen prevede l’utilizzo sia di bobine fisse, regolabili manualmente a prese discrete fra 80 A e 200 A (a 20 kV), sia bobine mobili, a nucleo tuffante, regolabili automaticamente e con continuità nel campo 60 A-300 A (a 20 kV).In presenza di un accordo perfetto i risultati di esercizio sono gli stessi. Tuttavia, la necessità di regolazione manuale fa sì che, spesso, l’accordo non sia perfetto per le bobine fisse. Anche temporanei cambi di assetto e/o scatti definitivi di linee MT causano lo stesso effetto.

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BOBINE FISSE O MOBILI

Per tale ragione i risultati di esercizio sono peggiori rispetto alle bobine mobili.Sono presenti, inoltre, maggiori limiti di esercizio rispetto alle bobine mobili ed è richiesto, periodicamente, l’intervento di personale in campo per la regolazione.

TOTAL TRANSIENT

INTERRUPTIONS (1)

TOTAL SHORT INTERRUPTIONS

(2)

TOTAL LONG INTERRUPTIONS

(3)

Higher interruption reduction gained with tunable coils with respect to fixed coils (2003 monitoring, 128

coils) [%]

-26% -22% -10%

(1) duration < 1" (2) 1" <= duration < 3' (3) duration >= 3'

Peggiori prestazioni delle bobine fisse rispetto alle mobili

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E

IsS

IsT

IgT

IgS

Iguasto

V0I0g

I0s

T S R

E R

E S

ET

Guasto monofase a terra in una rete a neutro isolato

g

Rg CRj

CEjI31

3ω

ω+

=

( )NN

NRg

ZCjRgZ

ZCjEI

⋅+⋅+

⋅+⋅=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

ω

ω

31

31

La corrente nel punto di guasto è:

per ZN ∼ ∞, la formula può essere semplificata:

PROTEZIONI DI LINEA MT

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Guasto monofase a terra in una rete con neutro a terra tramite impedenza

IsS

IsT

IgT

IgS

Iguasto

IRIL

RL

I0g

I0s

( )NN

NRg

ZCjRgZ

ZCjEI

⋅+⋅+

⋅+⋅=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

ω

ω

31

31

La corrente nel punto di guasto è :


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Tensione e corrente omopolare in reti esercite a neutro isolato e compensato

V0

I0s

Iog

V0

I0sSETTORE DIINTERVENTO

δ

SETTORE DIINTERVENTO

I0g

NEUTROISOLATO

NEUTROCOMPENSATO


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V0

I0

s

I0g

V0

I0

s


δ


I0g

Protezioni direzionali

Varmetriche

• La corrente omopolare nelle linee sane è sempre in anticipo di 90° rispetto alla tensione omopolare

• La fase della corrente omopolare nella linea guasta ha un angolo variabile (270-δ) di ritardo rispetto alla tensione omopolare

• L’angolo δ:• dipende dalle condizioni della rete e dalla % di

compensazione • è indipendente dalla resistenza di guasto

Protezioni direzionali

Wattmetriche

La corrente omopolare nelle linee sane è sempre in anticipo di 90° rispetto alla tensione omopolareLa corrente omopolare nella linea guasta è sempre in ritardo di 90° rispetto alla tensione omopolare


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δ dipende dalle condizioni di rete (percentuale di Ic della linea sede di guasto rispetto alla totale Ic della rete della metallicamente connessa) e dalla % di

compensazione.Il minimo valore di δ che assicura il corretto comportamento delle protezioni

wattmetriche è 13°÷14°

V0

I0s

I0g

δ

SETTORE DIINTERVENTODIREZIONALIVARMETRICHE


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Il valore dell’angolo δ, fra

la tensione omopolare e la

corrente omopolare èindipendente

dalla resistenza di guasto RF

E d

3Ch-3Cf

IR

RpL

ZN

IL

Ro/3 Xo/3

Rs

ZoTR

3Cf

Toroidal CTsof healthy

feeders

TV

Zd

Zi

RF

Ch: capacitanceof healthyfeeders

Cf: capacitance

of faultyfeeders

ToroidalCT of faultyfeeder

Omopolarvoltage


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V0

I0s IN & CN

δ


WATTMETRICO

I0gCN

I0gIN

SET

TO

RE

DI

INT

ER

VE

NT

O

VA

RM

ET

RIC

O

E’ possibile adottare due distinti settori di intervento

completamente indipendenti e contemporaneamente attivi.

In questo modo non è necessario alcun segnale

esterno per cambiare il settore di intervento.

Le tarature (soglia di tensione omopolare, di corrente omopolare e settore di

intervento) dei due settori sono completamente distinte

ed indipendenti.

Impatto sulle protezioni direzionali di linea MT


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I DAN + MCI sono attualmente in grado di fornire una protezione contro i guasti a terra di tipo centralizzato. Inserendo anche la protezione di massima corrente a bordo di tali apparecchiature, nonché le funzioni di richiusura automatica, si è ottenuta una sorta di protezione centralizzata che consente un risparmio non trascurabile rispetto alla soluzione attuale unito ad una notevole riduzione degli ingombri della sala protezioni.I primi 3 esemplari di DAN+MCI con funzioni di protezione centralizzata integrata a bordo saranno in esercizio entro ottobre 2006.Entro il 2007, in caso di esito positivo della sperimentazione, tale soluzione verrà unificata.

SVILUPPI FUTURI

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Cinque distinte analisi di esercizio inerenti l’efficacia delle bobine di Petersen sono state effettuate.

La prima, realizzata nel 2001 in ambito nazionale, aveva considerato 77 sbarre MT di CP con un periodo medio di esercizio di 5,6 mesi/sbarra MT. I dati di qualità del servizio furono confrontati con quelli analoghi dell’anno precedente.

La seconda, del 2002 sempre in ambito nazionale,considerò 163 sbarre MT di CP con un periodo medio di esercizio di 9,9 mesi/sbarra MT. I dati di qualità del servizio furono confrontati con quelli analoghi dell’anno precedente.

RISULTATI DI ESERCIZIO

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La seconda, del 2003 sempre in ambito nazionale,considerò 128 sbarre MT di CP con un periodo medio di esercizio di 24 mesi/sbarra MT (3.010 MESI*SBARRA). I dati di qualità del servizio furono confrontati con quelli di un periodo di pari durata anteriore alla messa in servizio della bobina di Petersen.

Per il significativo numero di bobine e la durata del periodo di analisi, che ha consentito di ottenere risultati “stabili”, i dati di questo

monitoraggio sono stati considerati quelli di riferimento nazionale.


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La quarta, del 2003 sempre in ambito nazionale,considerò 332 sbarre MT di CP con un periodo medio di esercizio di 7,7 mesi/sbarra MT (3.010 MESI*SBARRA). I dati di qualità del servizio furono confrontati con quelli analoghi dell’anno precedente.A causa della durata estremamente ridotta di tale periodo di monitoraggio, non si sono considerati tali risultati sufficientemente stabili.


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In tutte queste analisi furono scorporati gli effetti degli altri interventi in rete MT (telecontrollo ed automazione, componentistica, struttura, manutenzione) e dell’andamento metereologico in modo tale da calcolare l’effetto “netto” delle bobine di Petersen.A tale scopo, dalla variazione percentuale delle interruzioni transitorie, brevi e lunghe degli impianti equipaggiati con bobine di Petersen furono sottratte le analoghe variazioni medie delle reti MT degli impianti primari adiacenti nel medesimo periodo di osservazione.


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INTERRUZIONI TRANSITORIE

MONOFASI (1)

INTERRUZIONI TRANSITORIE TOTALI (1)

INTERRUZIONI BREVI TOTALI

(2)

INTERRUZIONI LUNGHE

TOTALI (3)

2001, 77 bobine per 5,6 mesi ciascuna (431 mesi * bobina totali) -59% -48% -46% -36%

2002, 163 bobine per 9,9 mesi ciascuna (1.614 mesi * bobina totali) -65% -55% -37% -22%

2003, 128 bobine per 24 mesi ciascuna (3.010 mesi * bobina

totali) (4)-63% -51% -38% -26%

2003, 332 bobine per 7,7 mesi ciascuna (2.889 mesi * bobina totali) (5) -84% -55% -29% -15%

2004, 92 bobine per 22 mesi ciascuna (2.022 mesi * bobina

totali). Monitoraggio relativo a Lazio, Abruzzo e Molise (6)

-81% -65% -40% -24%

(1) interruzioni di durata inferiore ad 1 s

VARIAZIONE PERCENTUALE DEL NUMERO DI INTERRUZIONI A SEGUITO DELLA MESSA IN SERVIZIO DELLA BOBINA DI PETERSEN

(2) interruzioni di durata maggiore od uguale ad 1 s e minore di 3'

(3) interruzioni di durata maggiore od uguale di 3'

(4) monitoraggio "di riferimento" in quanto maggiormente significativo causa lungo periodo preso in esame

(5) monitoraggio "instabile" per il periodo considerato eccessivamente corto(6) monitoraggio di conferma del monitoraggio "di riferimento".

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Variation of quality of supply as a function of cable percentage-140,0%

-90,0%

-40,0%

10,0%

60,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

50,0%

60,0%

70,0%

80,0%

90,0%

100,0

%

CABLE %

VA

RIA

TIO

N %

OF

QU

ALI

TY O

F SU

PPLY

% VAR. OF TOTAL TRANSIENT INT.

AVERAGE % VAR. OF TOTAL TRANSIENT INT.%


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Variation of quality of supply as a function of cable percentage

-120,0%

-70,0%

-20,0%

30,0%

80,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

50,0%

60,0%

70,0%

80,0%

90,0%

100,0

%

CABLE %

VAR

IATI

ON

% O

F Q

UA

LITY

OF

SUPP

LY

% VAR. OF TOTAL SHORT INT.AVERAGE % VAR. OF TOTAL SHORT INT.


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Variation of quality of supply as a function of cable percentage-100,0%

-50,0%

0,0%

50,0%

100,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

50,0%

60,0%

70,0%

80,0%

90,0%

100,0

%

CABLE %

VAR

IATI

ON

% O

F Q

UA

LITY

OF

SUPP

LY

% VAR. OF TOTAL LONG INT.AVERAGE % VAR. OF TOTAL LONG INT.


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Nel 2005, un’ulteriore analisi fu effettuata nel Lazio, su un numero ridotto di impianti, ma in modo ancora più dettagliato. La metodologia di base rimase la stessa, ma dai benefici percentuali degli impianti eserciti con bobine di Petersen furono sottratte, non le variazioni medie percentuali degli impianti adiacenti, ma solo quelle degli impianti adiacenti eserciti a neutro isolato.Come mostrato nella Tabella precedente, i risultati sono stati anche superiori a quelli del monitoraggio di “riferimento del 2003.


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8

34

2

10

818

8

8

17

4 11

TE

PE CH

CBIS

LT

RM

AQVT

FR

RI

21%

23%

14%

23%

35%

21%

37%

30%

47%

17%

30%

% = % di estensione della rete aerea con Petersen sulla totalità della rete aereadell’ area

= numero di bobine di Petersen nell’areaN

ROMA

Area geografica esaminataRISULTATI DI ESERCIZIO

CP RIPALIMOSANI (CB)

0

10

20

30

40

50

60

gen-

97ap

r-97

lug-

97ot

t-97

gen-

98ap

r-98

lug-

98ot

t-98

gen-

99ap

r-99

lug-

99ot

t-99

gen-

00ap

r-00

lug-

00ot

t-00

gen-

01ap

r-01

lug-

01ot

t-01

gen-

02ap

r-02

lug-

02ot

t-02

gen-

03ap

r-03

lug-

03ot

t-03

gen-

04ap

r-04

lug-

04ot

t-04

gen-

05

0

50

100

150

200

250

300Totale monofasi dell’area

Totale monofasi della CP

PostAnte

M TT TS TL TPE SPE LPE

gen-97 dic-00 48 Ante 792 148 44 629 95 26gen-01 dic-04 48 Post 199 161 65 56 58 27

Var% -75% 9% 48% -91% -39% 4%Ante 2420 744 222 1726 420 125Post 3752 1459 534 2613 646 314Var% 55% 96% 141% 51% 54% 151%

Var% -130% -87% -93% -142% -93% -147%

CP DELL’AREA SENZA PETERSEN

Net results

PERIODO

DATI DELLA CP

TT: totale transitorieTS: totale breviTL: totale lungheTPE: transitorie monofasiSPE: brevi monofasiLPE: lunghe monofasi


IL PASSAGGIO DA NEUTRO ISOLATO A NEUTRO COMPENSATO...

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