1) invecchiamento e modellistica di vita di sistemi isolanti e
componenti elettrici;
2) metodi statistici per l'elaborazione dei dati di
guasto di componenti elettrici;
3) tecniche diagnostiche innovative per sistemi
isolanti e componenti elettrici;
4) riduzione di vita di sistemi isolanti e componenti
elettrici in regime distorto;
5) modelli affidabilistici innovativi di tipo
“Stress-Strength” per componenti elettrici;
6) nuove applicazioni della “formula dell'effetto
dimensionale” per la comparazione delle caratteristiche di scarica
di isolamenti per cavi;
7) effetti combinati della sollecitazione
elettrotermica, dei cicli di carico e dei transitori termici
sull'affidabilità residua dei cavi di energia;
8) valutazione dei campi magnetici generati dai
sistemi elettrici per l'energia;
9) sistemi di trasmissione dell'energia elettrica
innovativi di tipo tetrafase;
10) sistemi in cavo ad alta tensione continua (HVDC) ad isolante
estruso;
11) aspetti tecnico-economici delle fonti di energia elettrica
di tipo rinnovabile.
1) il tema di ricerca invecchiamento e modellistica di vita di sistemi isolanti e componenti elettrici consiste nello sviluppo di modelli di invecchiamento e vita in presenza di sollecitazioni singole e combinate (temperatura e tensione) in grado di correlare la durata e l'affidabilità degli isolamenti alle sollecitazioni presenti in servizio, con particolare riferimento ad isolamenti polimerici per alte e medie tensioni. Tra questi modelli, il Prof. Mazzanti ha contribuito allo sviluppo di:
a) un modello di vita di tipo fisico innovativo, basato sul ruolo svolto dalla carica elettrica intrappolata nei materiali isolanti polimerici;
b) un secondo modello di vita di tipo fisico innovativo, basato sull'innesco del danno a partire dalle microcavità entro la matrice degli isolamenti polimerici di cavi per alte tensioni continue.
2) il tema di ricerca metodi statistici per l'elaborazione dei dati di prove di guasto di componenti elettrici si basa in particolar modo sulla distribuzione di Weibull. In questo ambito, il Prof. Mazzanti ha contribuito alla messa a punto di nuovi stimatori dei parametri di forma e di scala della distribuzione di Weibull detti “robusti”, ovvero scarsamente sensibili alla presenza di outliers nel lotto di dati (cioè di valori che deviano significativamente da quelli della restante popolazione), che potrebbero falsare i risultati delle prove.
3) il tema di ricerca tecniche diagnostiche innovative per sistemi isolanti e componenti elettrici consiste nello sviluppo di metodi diagnostici non invasivi per la valutazione dello stato di degradazione di sistemi isolanti e componenti elettrici. In questo ambito, il Prof. Mazzanti ha collaborato all'implementazione presso il DIE-LIMAT di un sistema hardware-software totalmente innovativo per la misura di carica di spazio accumulata sotto tensione nei dielettrici, basato sulla tecnica dell'impulso elettroacustico PEA (Pulse Electro-Acoustic), studiando la dipendenza di prestazioni, vita e affidabilità degli isolamenti dalle quantità legate alla carica accumulata (in particolare la mobilità della carica entro il dielettrico). Altra tecnica diagnostica per gli isolamenti di cui il Prof. Mazzanti si è occupato sempre in ambito DIE-LIMAT è la misura di scariche parziali in componenti per alta tensione, analizzando la correlazione tra carica di spazio e scariche parziali, in particolare per fili smaltati sottoposti a forme d'onda di tensione di tipo PWM. L'analisi di questa correlazione e l'impiego del modello di vita basato sull'innesco del danno da microcavità hanno consentito lo studio delle proprietà di carica di polimeri cellulari per elettreti e dell'effetto dell'irraggiamento luminoso sulla disponibilità del primo elettrone per l'innesco di scariche parziali in cavità interne agli isolamenti.
4) il tema di ricerca riduzione di vita di sistemi isolanti e componenti elettrici in regime distorto, consiste nel valutare gli effetti di forme d'onda di tensione e corrente non sinusoidali, anche stocasticamente variabili nel tempo, prodotte da carichi non lineari, sulla vita degli isolamenti. Utilizzando un modello di vita probabilistico per isolamenti sottoposti a distorsione armonica, il Prof. Mazzanti ha effettuato analisi affidabilistiche relative a cavi in media tensione per l'alimentazione di impianti di trazione ferroviaria, valutando il livello di distorsione armonica introdotto dai carichi non lineari (convertitori c.a/c.c. a doppio ponte non controllati) sia in base ad ipotesi aprioristiche, sia in base a misure effettuate sugli impianti stessi in condizioni di carico tipiche. A questa tematica hanno collaborato il Prof. Paola Verde e l'Ing. Angela Russo del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Università di Cassino.
5) il tema di ricerca modelli affidabilistici innovativi di tipo “Stress-Strength” (SS) per componenti elettrici consiste nello sviluppo di modelli di basati sul ruolo della sollecitazione dominante, detta “stress”, e della resistenza del componente, detta “strength”. In un primo modello, per “stress”si è inteso il valore di picco della sovratensione e per “strength” la rigidità dielettrica del componente in esame, entrambe caratterizzate mediante variabili aleatorie (supposte distribuite secondo la distribuzione di Weibull a parametri costanti nel tempo, eccetto il parametro di scala della rigidità dielettrica, caratterizzato da una legge di invecchiamento di tipo “potenza inversa”). In considerazione della scarsità dei dati disponibili relativi alla resistenza residua degli isolamenti dei componenti in servizio, per la stima dei parametri del modello ci si è avvalsi di metodologie statistiche di tipo bayesiano, che rendono le stime più accurate e meno incerte; l'efficienza delle stime bayesiane rispetto alla stima classica con il metodo della massima verosimiglianza è stata verificata mediante simulazioni Monte Carlo. I casi applicativi analizzati, basati su tempi al guasto di laboratorio, sono relativi a cavi per medie ed alte tensioni soggetti ad impulsi atmosferici e di manovra. Un secondo modello SS sviluppato è di tipo dinamico, in cui cioè lo stress è un processo stocastico variabile nel tempo. Modelli di questo tipo consentono di conseguire la cosiddetta stima indiretta di affidabilità, che supporta la scarsità dei dati disponibili relativi alla resistenza residua dei componenti in servizio con informazioni derivanti dallo studio dei meccanismi di invecchiamento dei relativi isolamenti. Questo tema di ricerca si svolge in collaborazione con il Prof. Elio Chiodo del Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell'Università di Napoli Federico II. Al riguardo si segnala che attualmente, in collaborazione con il suddetto Prof. Elio Chiodo, il Prof. Mazzanti sta curando la stesura di un capitolo del libro multi-autore in lingua inglese "Innovations in Power Systems Reliability" che verrà pubblicato verosimilmente nell'anno 2010 per i tipi della casa editrice Springer-Verlag. Il titolo del capitolo è il seguente: "Mathematical and Physical Properties of Reliability Models in View of their Application to Modern Power System Components".
6) il tema di ricerca nuove applicazioni della “formula dell'effetto dimensionale” per la comparazione delle caratteristiche di scarica di isolamenti per cavi consiste nell'analisi di nuovi sviluppi della “formula dell'effetto dimensionale” (o “enlargement law”) per l'estrapolazione dei valori delle tensioni di scarica ottenute in laboratorio, su isolamenti di piccola taglia, agli isolamenti di potenza. Questi nuovi sviluppi consentono di scegliere tra due o più mescole in competizione per la realizzazione dell'isolamento di cavi di potenza, individuando il valore di lunghezza di cavo installato al di sopra del quale una mescola ha prestazioni migliori dell'altra e viceversa. Oltre all'effetto della lunghezza dei cavi installati, si è anche considerato l'effetto della sezione conduttrice e dello spessore dell'isolante. Questo tema di ricerca si svolge in collaborazione con il Prof. Carlo Mazzetti Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell'Università di Roma La Sapienza e l'Ing. Massimo Marzinotto di TERNA S.p.A..
7) il tema di ricerca effetti combinati della sollecitazione elettrotermica, dei cicli di carico e dei transitori termici sull'affidabilità residua dei cavi di energia consiste nell'analisi della complessa problematica degli effetti dei cicli di carico e dei transitori termici sulla vita residua dei cavi di energia. Basandosi sulla teoria del danno cumulato per tener conto dei cicli di carico a cui sono sottoposti i cavi in servizio, sul circuito elettrico equivalente IEC-CIGRE per simulare i transitori termici causati dai cicli di carico e su modelli di vita di tipo elettrotermico noti in letteratura per la stima delle frazioni di vita perdute entro i vari cicli di carico, il Prof. Mazzanti ha elaborato un metodo innovativo per la stima della vita (residua) di cavi per alte tensioni soggetti in servizio a cicli di carico costanti a tratti, applicato a cavi per alta tensione alternata isolati in EPR e XLPE.
8) il tema di ricerca valutazione dei campi magnetici generati dai sistemi elettrici per l'energia consiste nella valutazione mediante metodi di calcolo e di misura del livello dei campi magnetici prodotti dai sistemi elettrici in ambiti residenziali. In particolare, con l'ausilio di codici di calcolo ad hoc e di un sensore 3D innovativo, vengono analizzati i campi magnetici generati da:
- linee di trasmissione e distribuzione aeree a singola e doppia terna;
- cavi elicordati in terna singola e doppia;
- sorgenti multiple in configurazione 3D complessa.
In questa tematica, il Prof. Mazzanti si è occupato in primo luogo di alcune possibili fonti di incertezza ed errore nel calcolo dei livelli di esposizione continuativa di tipo residenziale ai campi magnetici generati da linee di trasmissione aeree, valendosi a tal fine di una rigorosa trattazione analitica e di alcune applicazioni numeriche a casi pratici. L'analisi è stata condotta in modo approfondito soprattutto per quanto riguarda il calcolo dei campi magnetici generati da linee aeree di trasmissione a doppia terna a terne indipendenti. Per tali linee, il Prof. Mazzanti ha effettuato un'ampia analisi dell'effetto dello sfasamento delle terne di corrente sui campi generati da tali linee nelle varie configurazioni geometriche, sia per valori di carico costante nel tempo, sia per carico variabile su intervalli di tempo di durata da un giorno a un anno intero, valendosi a tal fine di un database di valori misurati di potenza attiva, reattiva e tensione relativi ad una linea esistente, fornito da TERNA S.p.A. Ciò ha consentito al Prof. Mazzanti di elaborare formule innovative di tipo euristico per stimare il valor medio o mediano di B (valore efficace di induzione magnetica) a cui è effettivamente esposta la popolazione, sulla base dei valori medi o mediani delle grandezze elettriche tempo-dipendenti legate alle condizioni di carico (in particolare potenza attiva, reattiva e apparente), anziché sulla base della media o mediana di tutti i valori di B calcolati sull'intero anno (o su un periodo di riferimento sufficientemente lungo per rappresentare le cosiddette “condizioni normali di esercizio nell'arco delle 24 ore”), riducendo così drasticamente il tempo di calcolo. Questo è particolarmente utile sia in sede di valutazione di interventi tecnici di mitigazione per elettrodotti esistenti, sia in fase di pianificazione e progettazione di nuovi elettrodotti.
Per quanto riguarda le linee aeree a doppia terna a terne non indipendenti, in collaborazione con l’Ing. Marco Landini del DIE-Bologna il Prof. Mazzanti ha messo a punto una procedura innovativa per la verifica dei limiti di esposizione della popolazione al campo magnetico generato da tali elettrodotti, basata sulla regressione bilineare dei valori di campo misurati in funzione delle correnti di ciascuna delle due terne. Tale procedura è stata validata relativamente a elettrodotti in media tensione.
Per quanto riguarda i cavi elicordati, in collaborazione con l’Ing. Marco Landini del DIE-Bologna e l’Ing. Effrosyni Kandia, dottoranda di ricerca presso il DIE-Bologna, il Prof. Mazzanti ha messo a punto un metodo semplificato innovativo per il calcolo del campo magnetico generato da cavi trifase elicordati per la distribuzione dell’energia elettrica, che agevola notevolmente il calcolo rispetto al metodo analitico rigoroso basato su serie di funzioni di Bessel modificate del secondo tipo e sulle loro derivate. Il metodo è stato applicato con successo anzitutto ai cavi elicordati in terna singola .
Successivamente, è stato esteso ai cavi elicordati in doppia terna, in primo luogo basandosi su di un approccio conservativo di tipo “worst case” consistente nella semplice somma dei moduli dei campi di induzione magnetica generati dalle due terne , e poi sulla rigorosa combinazione vettoriale dei campi generati dalle due terne.
Attualmente, in collaborazione con il Prof. Gaetano Pasini e l’Ing. Marco Landini del DIE-Bologna e l’Ing. Effrosyni Kandia, dottoranda di ricerca presso il DIE-Bologna, è in corso di sviluppo un sensore 3D innovativo di campo magnetico che consente di misurare e memorizzare le componenti x,y,z del campo di induzione magnetica.
Come sottotematica di questa attività di ricerca, il Prof. Mazzanti si è occupato della misura dei campi magnetici nei locali di un istituto scolastico tecnico-scientifico - con particolare attenzione ai laboratori didattici - e della valutazione della relativa esposizione umana in base al quadro normativo vigente.
9) il tema di ricerca sistemi di trasmissione dell'energia elettrica innovativi di tipo tetrafase, che ha preso le mosse dagli studi effettuati nel settore dell’esposizione umana ai campi magnetici, è oggetto di una fruttuosa collaborazione tra il Prof. Mazzanti e il Prof. Stefano Quaia dell’Università di Trieste. La collaborazione riguarda in particolare il confronto tecnico-economico tra linee di trasmissione innovative tetrafase e tradizionali trifase. Il confronto si è incentrato dapprima sugli aspetti tecnici (affidabilità, capacità di trasporto, stabilità della trasmissione) e di impatto ambientale (principalmente per quanto attiene i livelli dei campi elettrici e magnetici generati da elettrodotti aerei tradizionali trifase e innovativi tetrafase) , per poi focalizzarsi sugli aspetti economici, basando la comparazione sulle diverse voci di costo in gioco (costruzione, perdite di energia, affidabilità, impatto visivo, oneri del terreno) e mostrando così che le linee tetrafase possono in taluni casi competere con le tradizionali linee trifase anche nel contesto del mercato europeo dell’energia elettrica. Il confronto tecnico-economico si è poi ampliato grazie all’apporto fornito dai Proff. Elio Chiodo e Davide Lauria dell’Università di Napoli Federico II (v. sopra), estendendosi da un lato alle linee combinate AC-DC e dall’altro alle problematiche della stabilità statica e dinamica della trasmissione. Questi aspetti sono stati ulteriormente approfonditi in cooperazione con i suddetti Proff. Quaia e Lauria nei lavori.
Come attività di ricerca occasionale, in cooperazione con l’Ing. Davide Fabiani del DIE-LIMAT e l’Ing. Cesare Biserni del Dipartimento di Ingegneria Energetica, Nucleare e del Controllo Ambientale (DIENCA) dell’Università di Bologna, il Prof. Mazzanti si è occupato anche del black-out del sistema elettrico italiano occorso in data 28/09/2003, analizzando ampiamente gli accadimenti che lo hanno causato e sintetizzando l’apporto di opinioni e interpretazioni diverse su soluzioni, possibili scelte future di politica energetica e relative implicazioni.
10) il tema di ricerca sistemi in cavo ad alta tensione continua (HVDC) ad isolante estruso, iniziato nell'anno 2009, consiste in una prima fase di accertamento dello stato dell’arte a livello scientifico-tecnologico relativamente a detti cavi, con particolare riferimento alle seguenti problematiche:
- i profili di campo elettrico e di temperatura nello spessore dell’isolante al variare delle condizioni di carico e della temperatura dell’ambiente di posa;
- la descrizione del meccanismo di accumulo e distribuzione delle cariche di spazio nello spessore dell’isolante per i vari tipi di dielettrici estrusi industrialmente disponibili al variare del tempo di applicazione della tensione continua, della polarità della stessa, della temperatura, della composizione dell’isolamento (tenendo conto del ruolo degli additivi, degli agenti reticolanti, dei prodotti di post-reticolazione, etc.) e gli effetti sul rischio di scarica nel dielettrico e sulla vita attesa del cavo; verrà fornita anche una descrizione comparativa tra le varie tecniche di misura della distribuzione delle cariche spaziali;
- l’importanza delle tecniche costruttive (cordatura, estrusione, applicazione degli schermi e degli strati protettivi) dal punto di vista delle prestazioni del cavo finito;
- la stima della vita del cavo (a probabilità di guasto fissata) in base al valore di tensione e temperatura applicate all’isolamento del cavo stesso. A tal fine, si farà ricorso a modelli di vita di letteratura sviluppati appositamente per l’isolamento di cavi estrusi HVDC, inquadrati probabilisticamente in modo da poter essere impiegati per effettuare analisi affidabilistiche (stima dei più significativi percentili di tempo al guasto, del tasso di guasto, dell’affidabilità residua) relative ai cavi di potenza, ricorrendo tra l’altro alla legge dell’effetto dimensionale e alla statistica di Weibull;
- l’evoluzione storica delle principali realizzazioni di cavi HVDC ad isolante estruso nel mondo.
L'attività si svolge in collaborazione con l'Ing. Massimo Marzinotto di TERNA S.p.A. ed è basata sia su di un’ampia ricerca bibliografica in merito alle tematiche sopradescritte, sia su programmi di simulazione ad hoc sviluppati per chiarire qualitativamente e quantitativamente i vari aspetti.
11) l'attività di ricerca aspetti tecnico-economici delle fonti di energia elettrica di tipo rinnovabile ha preso le mosse dalla partecipazione del Prof. Mazzanti al Comitato Scientifico della Giornata di Studio EST 2007 (L’accumulo dell’energia elettrica nell’era delle fonti rinnovabili), organizzata dal Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università di Bologna l’8 ottobre 2007 presso la Facoltà di Ingegneria di Bologna. Nell’ambito di tale partecipazione il Prof. Mazzanti – congiuntamente agli Ingg. Marco Breschi e Leonardo Sandolini del DIE-Bologna – ha approfondito lo stato dell’arte nell’ambito dei sistemi di accumulo dell’energia elettrica, nel quadro del crescente sviluppo delle fonti di energia elettrica rinnovabili. Poi, in cooperazione con il succitato Prof. Elio Chiodo dell’Università di Napoli Federico II, basandosi su elementi teorici di affidabilità e manutenzione di un sistema elettrico per l’energia il prof. Mazzanti si è occupato del ruolo dei parametri legati alla disponibilità nella scelta di sistemi di generazione del tipo “stand-alone”, frequentemente utilizzati nel campo delle Fonti di Energia Rinnovabili.
Attualmente, in collaborazione con il Prof. Ezio Santini e l’Ing. Donatella Zaccagnini Romito dell’Università di Roma la Sapienza, il Prof. Mazzanti si occupa delle valutazioni tecnico-economiche legate agli impianti fotovoltaici in relazione alle diverse versioni del Conto Energia.
