Prototipazione virtuale per sistemi elettrici

Quanti di voi hanno avuto l’occasione di sentir parlare negli ultimi tempi di transizione energetica, decarbonizzazione oppure più semplicemente di fonti energetiche rinnovabili? La grande attualità di queste notevoli sfide tecnologiche e la vastità delle problematiche relative ai sistemi elettrici di potenza rende oggigiorno essenziale, come mai avvenuto prima nel passato, un approccio progettuale basato su strumenti di modellazione ad elementi finiti (FEA) efficienti ed affidabili, in grado di consentire un rapido interfacciamento tra le varie fisiche di interesse nel problema.

Approcci innovativi

Un ambito nel quale la ricerca del miglior compromesso tra performance tecnologiche di un prodotto e vincoli di costo di produzione risulta critica è indubbiamente quello del mercato dei dispositivi ed accessori per sistemi in alta tensione (AT). Si tratta di oggetti quali isolatori, sezionatori, terminali per cavi, supporti e distanziali, caratterizzati da ingombri importanti, scelti per ragioni di sicurezza ed a garanzia del mantenimento delle distanze di isolamento elettrico tra parti in tensione e la terra. Come facilmente intuibile, i metodi tradizionali di dimensionamento dei dispositivi utilizzati nei sistemi AT, basati sull’esperienza e caratterizzati dall’impiego di robusti coefficienti di sicurezza, possono portare a sovradimensionamenti oggigiorno non più accettabili. Ciò significa dunque che il miglioramento potenzialmente conseguibile sul processo produttivo, in termini di volumi, pesi e costi, con l’adozione di una metodologia di progetto adeguata ai tempi è spesso dirompente.

Soluzioni software

All’interno del software Flux (parte della suite Altair) è disponibile un tool di analisi elettrica, che prende il nome di Streamer computation, disegnato in particolare sulle esigenze dei progettisti di apparati di alta tensione e dei relativi isolamenti gassosi, siano essi in aria oppure immersi in miscele di altri gas (comune è l’uso di azoto-esafluoruro di zolfo), come è il caso dei GIS – Gas Insulated Substation oppure dei GIL – Gas Insulated Line. Tale strumento di calcolo, i cui risultati sono stati nel corso degli anni validati sperimentalmente per una incredibile varietà di geometrie di interesse pratico e di condizioni di esercizio, è in grado di fornire all’utente una stima quantitativa della tensione di tenuta tra le varie parti in tensione del sistema di potenza preso in esame.

Il procedimento di analisi è definito da una condizione matematica che viene applicata dal software lungo ciascuna linea di campo elettrico, individuate sulla base di una simulazione elettrostatica precedente il lancio del criterio di Streamer. Questo criterio, solo in apparenza semplice, sottende in realtà una molteplicità di fenomeni fisici estremamente complessi, che comprendono l’analisi degli effetti delle disuniformità di campo elettrico nello spazio, la ionizzazione del gas ed i fenomeni che accompagnano la formazione della valanga elettronica (breakdown)

La possibilità dunque di fornire una valutazione numerica alla “prestazione” di un dispositivo per impiego nel campo delle alte tensioni, unite alle potenzialità parametriche del software in cui tale tool è stato integrato, cioè Flux, aprono poi la strada all’implementazione di ottimizzazioni automatizzate, consentendo ai progettisti elettromagnetici di ridurre i coefficienti di sicurezza impiegati in fase di design a valori molto contenuti, limitando al contempo anche i tempi necessari allo sviluppo del prodotto (superamento dell’approccio storico di trial & error).