Perché esistono le cabine di trasformazione?
La media tensione (da 1.000 a 29.000 V) viene utilizzata per trasportare energia elettrica per diverse ragioni. Inizialmente, l’energia generata dalla centrale elettrica viene prodotta in media tensione. Questa viene poi convertita in alta tensione (da 30.000 a 150.000 V) per la trasmissione, poiché l’alta tensione ha una maggiore efficienza e le perdite di tensione sono minori.
La trasmissione di energia ad alta tensione è più efficiente, ovvero con meno sprechi per dissipazione da effetto Joule rispetto al trasporto a più basse tensioni. Questo significa che si perderebbe più energia se la trasmissione avvenisse a bassa tensione a causa della resistenza nei cavi.
Dopo la trasmissione, l’alta tensione viene ridotta a media tensione nelle cabine elettriche primarie. La media tensione viene quindi utilizzata nei tratti intermedi della rete di distribuzione, dalle stazioni di ricezione ad alta tensione alle cabine di trasformazione finale per la consegna in bassa tensione.
Inoltre, la media tensione viene utilizzata per distribuire energia a grandi consumatori come industrie, ospedali, scuole, ecc. Alcuni grandi utenti acquistano l’energia elettrica direttamente in media tensione, provvedendo poi a ridurla in bassa tensione (da 50 a 1.000 V) con cabine private.
Ma andandiamo al sodo in termini manutentivi perchè l’argomento è lungo e complesso:
Una cabina di trasformazione è composta essenzialmente da:
- Un locale dove sono installati tutti i componenti della cabina elettrica.
- Uno o più trasformatori
- Celle contenenti sezionatori o interruttori di media tensione
- Un quadro di bassa tensione
- Un UPS
- Un rifasatore
- Le centraline relè di protezione e controllo
- Un impianto di estrazione aria o di condizionamennto per il controllo della temperatura del locale
Questo elenco non è casuale, ma è l’elenco dei componenti su cui la norma CEI 78-17 dedica apposite schede manutentive dedicate.
Vediamo velocemente i concetti funzionali di ogni componente:
Il trasformatore
Un trasformatore elettrico MT-BT (Media Tensione – Bassa Tensione) è un dispositivo utilizzato per modificare la tensione alternata da un livello di tensione medio a uno di tensione bassa.
Ecco come funziona un trasformatore MT-BT:
- Avvolgimenti primario e secondario: Un trasformatore è costituito da due avvolgimenti di filo conduttore isolati, noti come avvolgimento primario e avvolgimento secondario. L’avvolgimento primario è connesso alla rete elettrica ad alta tensione (MT), mentre l’avvolgimento secondario è connesso ai carichi a bassa tensione (BT).
- Trasferimento di energia: Quando una tensione alternata viene applicata all’avvolgimento primario, essa crea un campo magnetico nel nucleo del trasformatore. Questo campo magnetico induce una tensione alternata nell’avvolgimento secondario attraverso il principio dell’induzione elettromagnetica di Faraday.
- Rapporto di trasformazione: Il rapporto tra il numero di spire nel primario e nel secondario determina il rapporto di trasformazione del trasformatore.
Specifichiamo velocemente due tipologie costruttive dei trasformatori:
- Trasformatori in resina
- Trasformatori ad olio
Ecco le principali differenze tra i due:
- Isolamento:
- Trasformatori in resina: Questi trasformatori utilizzano resina epossidica o poliuretanica come materiale isolante per avvolgere i fili di rame o alluminio del trasformatore. La resina offre un’ottima resistenza elettrica e chimica, proteggendo il trasformatore da umidità e contaminanti.
- Trasformatori ad olio: I trasformatori ad olio utilizzano olio isolante, spesso olio minerale, come dielettrico. L’olio offre un’elevata resistenza dielettrica ed è efficace nel raffreddare il trasformatore. L’olio può essere vulnerabile all’ossidazione e all’umidità se non mantenuto adeguatamente.
- Raffreddamento:
- Trasformatori in resina: Questi trasformatori spesso utilizzano l’aria come mezzo di raffreddamento, il che li rende adatti per applicazioni a carico leggero o moderato.
- Trasformatori ad olio: Gli oli isolanti sono efficaci nel raffreddamento e nell’isolamento termico, rendendo i trasformatori ad olio ideali per applicazioni a carico pesante o in situazioni in cui è richiesta una maggiore capacità di dissipare il calore.
- Manutenzione:
- Trasformatori in resina: Richiedono generalmente meno manutenzione rispetto ai trasformatori ad olio. La resina è resistente all’umidità e agli agenti atmosferici, e il design sigillato riduce il rischio di contaminazione.
- Trasformatori ad olio: Richiedono una manutenzione regolare, compresa la verifica del livello di olio, il trattamento dell’olio per prevenire l’ossidazione e il monitoraggio della qualità dell’olio.
- Ambiente:
- Trasformatori in resina: Sono considerati più ecologici in quanto non utilizzano oli isolanti. La resina è meno dannosa per l’ambiente rispetto all’olio.
- Trasformatori ad olio: Possono presentare rischi ambientali se l’olio viene accidentalmente versato o fuoriuscito. L’olio minerale può essere contaminato da PCB (policlorobifenili), sostanze chimiche nocive.
- Applicazioni:
- Trasformatori in resina: Sono spesso utilizzati in applicazioni residenziali, commerciali e industriali a carico leggero o moderato.
- Trasformatori ad olio: Sono più comuni in applicazioni industriali a carico pesante, come centrali elettriche e sottostazioni.
Le celle MT
Le celle MT sono considerate dei quadri elettrici di media tensione
Le celle MT possono contenere sia sezionatori MT che interruttori MT
I Sezionatori MT
I sezionatori MT (Media Tensione) sono dispositivi utilizzati nelle reti elettriche di media tensione per interrompere o isolare sezioni specifiche del circuito. Questi dispositivi consentono di garantire la sicurezza e la gestione delle reti elettriche, specialmente quando è necessario effettuare manutenzione, riparazioni o modifiche a una parte del sistema in assenza di tensione.
Ecco alcune caratteristiche e funzioni dei sezionatori MT:
- Interruzione: I sezionatori MT possono essere utilizzati per interrompere il flusso di corrente in una sezione del circuito. Tuttavia, è importante notare che i sezionatori MT non sono dispositivi di interruzione di emergenza come i dispositivi di protezione da sovracorrente o i fusibili. La loro principale funzione è quella di aprire o chiudere il circuito per scopi di manutenzione o isolamento, e non per la protezione contro sovracorrenti.
- Indicatori di posizione: Molte tipologie di sezionatori MT sono dotate di indicatori visivi o indicatori di posizione che consentono agli operatori di verificare se il sezionatore è aperto o chiuso senza dover effettivamente toccare il dispositivo.
- Manovrabilità sicura: I sezionatori MT sono progettati per essere manovrabili in modo sicuro dagli operatori. Possono essere azionati manualmente, e in alcuni casi, possono essere dotati di motori per l’azionamento remoto.
Gli interruttori MT
Gli interruttori MT (Media Tensione), a differenza dei sezionatori, sono progettati per gestire (in abbinamento con le centraline a relè) in maniera autonoma le situazioni di emergenza.
- Interruzione di emergenza: Gli interruttori MT sono progettati per interrompere rapidamente il flusso di corrente in caso di emergenza, come un cortocircuito o una sovracorrente, al fine di proteggere il sistema e i dispositivi connessi.
- Capacità di interruzione: Gli interruttori MT devono essere in grado di interrompere correnti elevate, spesso con capacità di interruzione specificate per garantire che possano gestire le situazioni di emergenza in modo sicuro.
- Manovrabilità: Gli interruttori MT possono essere azionati manualmente, ma molte versioni sono dotate di motori o azionamenti automatici per l’apertura e la chiusura controllate.
- Protezione da sovracorrenti: Gli interruttori MT spesso integrano funzionalità di protezione da sovracorrenti, come la rilevazione di correnti anormali o sovraccarichi, per attivare l’apertura dell’interruttore quando necessario.
- Indicatori di stato: Gli interruttori MT sono dotati di indicatori di stato che segnalano se l’interruttore è aperto o chiuso, consentendo agli operatori di monitorare le condizioni del sistema.
Per i sezionatori e per gli interruttori MT si apre un’ampia tipologia costruttiva dovuta al problema di contenimento dell’arco voltaico o arco elettrico.
Un arco voltaico è una scarica elettrica che si verifica tra due punti elettrificati quando una differenza di potenziale (tensione) è abbastanza elevata da superare la resistenza dell’aria.
Per questo motivo l’aria, all’interno di un sezionatore o un interruttore di media tensione, è quasi sempre da evitare
Parliamo solitamente di:
- Interruttori a vuoto (Vacuum Circuit Breakers): Gli interruttori a vuoto utilizzano un contenitore a vuoto per interrompere l’arco elettrico. Questa tecnologia impedisce la formazione di un ambiente che favorisce la persistenza dell’arco elettrico, riducendo al minimo il rischio di danni o incendi.
- Interruttori a gas (Gas Circuit Breakers): Gli interruttori a gas utilizzano gas isolanti ad alta pressione, come il biossido di zolfo o il gas SF6, per interrompere l’arco elettrico. Questi gas estinguono l’arco più rapidamente rispetto all’aria, riducendo il tempo in cui l’arco può persistere.
- Interruttori in olio (Oil Circuit Breakers): Sebbene non siano completamente esenti dall’arco, gli interruttori in olio contengono l’arco elettrico in un serbatoio di olio isolante, impedendo che l’arco si propagli all’ambiente circostante.
Per sezionatori e interruttori isolati con gas SF6 si deve applicare il monitoraggio del:
Chiusa parentesi ed andiamo avanti nell’elenco dei componenti di una cabina elettrica MT/BT
Il quadro generale di bassa tensione (chiamato spesso “power center” o QGBT)
Un “power center” o “quadro generale di bassa tensione” presente in una cabina elettrica è un componente chiave di un impianto elettrico industriale o commerciale. Questo dispositivo è progettato per ricevere la bassa tensione direttamente dai trasformatori e distribuirla in prima battuta ai vari sotto quadri all’interno di un edificio o di un impianto.
- Protezione: Il power center è dotato di dispositivi di protezione, come interruttori magnetotermici differenziali per proteggere le linee elettriche in uscita da esso.
- Controllo: Il quadro generale di bassa tensione può includere dispositivi di controllo, come contattori, relé, temporizzatori e dispositivi di automazione, che consentono di gestire il funzionamento delle apparecchiature e dei carichi elettrici in modo programmato o automatico.
- Monitoraggio: Alcuni power center sono dotati di sistemi di monitoraggio e registrazione dei dati per tenere traccia dei consumi energetici, delle condizioni di funzionamento e dei parametri elettrici, che possono essere utili per la gestione dell’energia e il mantenimento preventivo.
- Personalizzazione: I power center possono essere progettati e costruiti su misura per le esigenze specifiche di un edificio o di un impianto, tenendo conto del carico e delle applicazioni specifiche.
I rifasatori
Un rifasatore è un dispositivo elettrico utilizzato nelle cabine elettriche o nei sistemi di distribuzione elettrica per regolare il fattore di potenza e migliorare l’efficienza energetica. Il fattore di potenza è un parametro che misura quanto dell’energia elettrica fornita a un carico viene effettivamente convertito in lavoro utile. Un fattore di potenza basso può comportare sprechi di energia elettrica e aumentare i costi energetici.
Il rifasatore è progettato per compensare le cariche reattive induttive presenti nel sistema, come quelle causate da motori e altri dispositivi induttivi, che possono ridurre il fattore di potenza e provocare perdite di energia. Questo dispositivo utilizza condensatori o batterie di condensatori per generare una corrente reattiva capacitiva, che si oppone alla corrente reattiva induttiva, riducendo così il fattore di potenza globale.
Ecco come funziona un rifasatore in cabina:
- Monitoraggio del fattore di potenza: Il rifasatore è dotato di un sistema di controllo che monitora costantemente il fattore di potenza nella rete elettrica. Se il fattore di potenza scende al di sotto di un valore specificato (La nuova delibera AEEG 654/2015/R/eel introduce il cosfi a 0,95 ), il rifasatore entra in funzione.
- Generazione di corrente reattiva capacitiva: Quando il rifasatore entra in funzione, i condensatori o le batterie di condensatori vengono collegati al sistema elettrico. Questi componenti generano corrente reattiva capacitiva, che compensa la corrente reattiva induttiva presente nel sistema.
- Controllo dinamico: Il controllo del rifasatore può essere adattato alle condizioni di carico e alle fluttuazioni del fattore di potenza. Ciò assicura che il sistema mantenga un fattore di potenza ottimale in diverse situazioni.
L’utilizzo di un rifasatore in cabina è particolarmente comune in impianti industriali o commerciali con carichi significativi e complessi, poiché può contribuire notevolmente al miglioramento dell’efficienza energetica e alla riduzione dei costi energetici.
Gli UPS
Gli UPS (Uninterruptible Power Supply) vengono installati nelle cabine elettriche a garanzia della continuità operativa in caso di mancanza rete. Le cabine elettriche contengono attrezzature di distribuzione e dispositivi di controllo, di sicurezza e di automazione che devono funzionare ininterrottamente per garantire la fornitura di energia elettrica a un edificio, a un’area industriale o a un sito critico.
Centraline relè di protezione e controllo
Queste centraline sono utilizzate in applicazioni elettriche e di automazione industriale per la protezione e il controllo di impianti e sistemi elettrici. Le centraline sono notevolmente versatili e possono essere utilizzate in una vasta gamma di contesti, tra cui sottostazioni e cabine elettriche, centrali elettriche, industrie manifatturiere, infrastrutture e altri settori.
Ecco alcune delle principali funzioni e caratteristiche delle centraline relè:
- Protezione: Le centraline forniscono funzionalità di protezione avanzate per il monitoraggio e la gestione delle condizioni elettriche all’interno di un impianto. Possono proteggere il sistema da sovracorrenti, sovratensioni, cortocircuiti, perdite di fase e altre condizioni di emergenza.
- Misurazione: Le centraline possono misurare vari parametri elettrici, come tensione, corrente, frequenza, potenza attiva e reattiva, e molti altri. Questi dati sono utili per il monitoraggio e l’analisi delle prestazioni del sistema.
- Controllo: Possono essere utilizzate per il controllo automatico delle operazioni del sistema elettrico, come l’avvio e l’arresto di motori o l’apertura e la chiusura di dispositivi di commutazione.
- Comunicazione: Le centraline sono spesso dotate di opzioni di comunicazione che consentono di connetterle a reti di controllo centrali o sistemi di supervisione, rendendo possibile il monitoraggio remoto e la gestione dei dati.
- Funzionalità programmabili: Sono in grado di eseguire logiche programmabili per adattarsi alle esigenze specifiche dell’applicazione. Gli utenti possono configurare e personalizzare le impostazioni di protezione e controllo.
- Monitoraggio delle condizioni: Le centraline possono registrare dati sulle condizioni operative e le anomalie, che possono essere utili per analizzare le prestazioni dell’impianto e per scopi di manutenzione preventiva.
Esistono molte marche che producono centraline relè di protezione e controllo come ABB, Siemens, SEL e Schneider con il marchio SEPAM