Energia elettrica, prima parte

Distribuzione lezione 08-03

Cabine palo PTP

Andiamo avanti e analizziamo una tipologia di cabina che in realtà non è più una cabina stando alle norme e vediamo quelle cabine che vengono chiamate “Posto di Trasformazione su Palo” (PTP) o cabine palo. Non sono delle vere cabine secondo le definizioni normative perché a tutti gli effetti vengono considerate una parte dell’elettrodotto, però di fatto svolgono la funzione di trasformazione tipica delle cabine.

Ci sono due soluzioni che abbiamo già visto nello schema elettrico. Una prima soluzione prevede una connessione rigida. Abbiamo una linea di MT e supponiamo di avere una connessione diretta del trasformatore al servizio perché se c'è unlinea. Questa soluzione è la peggiore perché non ci dà affidabilità del guasto nel trasformatore esso si riproduce su tutta la linea e non abbiamo né interruttori né dispositivi di sezionamento. Nella parte di BT abbiamo un interruttore e poi vi sarà il cavo che va in BT.

I trasformatori su palo sono soggetti a problemi di sovratensione atmosferica per cui dovremmo mettere uno spinterometro, che sarà collegato a terra da una parte e al collegamento del trasformatore dall’altra. Il simbolo dello spinterometro è: 1. Attraverso lo spazio d’aria si garantisce l’isolamento ma se la tensione supera la rigidità dielettrica dell’aria si instaura una scarica tra le due punte e si richiude verso terra. Si utilizzano all’aperto in questo caso hanno gli spinterometri il dispositivo antivolatile. Il palo ovviamente è messo a terra. Questo è un tipico posto di trasformazione su palo PTP.

Potenza in gioco

Diciamo che tipicamente sono trasformatori da 100 200 KVA; si può arrivare al massimo a 250 KVA; la taglia tipica è 100 150 KVA.

Applicazioni

Elettrificazione rurale, cantieri, alimentazioni di elettropompe. L’applicazione più comune è quella di elettrificazione rurale. Particolarità da osservare è che questi posti di trasformazione possono essere causa di incendi e le ordinanze regionali antincendio prescrivono la pulizia intorno al posto di trasformazione da erba e arbusti per un raggio di 5 metri.

Questa soluzione è la più semplice ma è anche quella che si cerca di evitare e via via sta venendo sostituita da una soluzione un pochino diversa che prevede tipicamente nel palo prima di quello col trasformatore il montaggio di un sezionatore con fusibili. I fusibili determinano la separazione della linea in caso ci sia un guasto sul trasformatore e poi è possibile sezionare con il sezionatore manualmente e fare la manutenzione. In particolar modo impedisce che un guasto che interessa un trasformatore di 150 KVA possa provocare un disservizio a tutti gli utenti collegati su quella linea. Questa è la soluzione più comune soprattutto nell’ambiente rurale.

Questa è la regola generale tuttavia in MT si può trovare di tutto e per esempio se non è possibile porre il sezionatore nel palo prima, allora si fa il palo più alto, si pone il sezionatore con fusibile in testa e poi più giù va il trasformatore. Sul palo dove c’è il trasformatore è sconsigliato per motivi di sicurezza porre il sezionatore perché se bisogna fare dei lavori sul trasformatore questo è troppo vicino alla linea in tensione invece ponendolo sul palo prima ho per lo meno una campata di sicurezza, quel tratto di linea viene posto in sicurezza.

I sezionatori hanno un impianto di comando dal basso per cui il comando del sezionatore è posto più o meno a 2 metri da terra e c’è tutto uno schema di leverismi che permette di manovrare il sezionatore. Tale sistema è bloccato da un lucchetto per impedire manovre indesiderate.

La parte di BT fa capo ad un piccolo quadro stagno che è montato direttamente sul palo a circa 1,5 metri da terra. Dentro questo quadro di BT ci sta o un sezionatore con fusibili (nei quadri vecchi) o un interruttore magneto-termico (nei quadri nuovi). Questo interruttore magneto-termico svolge sia la funzione di proteggere la linea di BT che sta a valle dai cortocircuiti, e dato che è molto sovradimensionato è difficile che riesca a fare protezione da sovraccarico della linea, sia la protezione da sovraccarico del trasformatore.

Tipicamente le cabine palo dei distributori in Italia utilizzano un solo palo. Esistono cabine palo di grande potenza poste su due pali, ma sono abbastanza rare e ciò vuol dire porre un trasformatore da 400 KVA e per tenerlo ho bisogno di due pali con una mensola. Generalmente questi ultimi sono utilizzati per applicazioni idroelettriche cioè per alimentare stazioni di pompaggio.

Svantaggi del PTP

• Sono fonti di guasti
• Sono fonti di disservizi
• Sono fonti di innesco di incendi

Questi sono gli elementi più critici della distribuzione rurale. Teniamo presente che l’Enel ha attivato una campagna di distribuzione in BT da 1000 V quindi potremmo vedere delle cabine palo che non contengono un trasformatore MT/BT ma un trasformatore BT/BT. L’idea che sta dietro a questa scelta è quella di ridurre l’entità della lunghezza delle linee di MT.

Praticamente se vogliamo fare una distribuzione in BT a valle del trasformatore possiamo pensare di avere su rete rurale con carico abbastanza piccolo di riuscire a coprire una distanza di qualche centinaio di metri, il massimo sarà 900 metri, questo perché c’è il problema delle cadute di tensione. Se aumento la tensione aumento il raggio d’azione, quindi se ho un carico a 1500 metri di distanza e sto lavorando con 900 V significa che porto la linea di MT vicino al carico, e poi faccio la trasformazione. Quindi aumento la lunghezza della linea MT ma in MT sappiamo che un guasto si propaga ad un numero di utenti molto ampio. Allora dato che i cavi che tengono 400 V tengono anche 900 V (in realtà riescono a tenere 1KV) allora posso usare gli stessi cavi per fare una distribuzione a tensione maggiore ed evito così di fare un altro palo, e prolungare la linea di MT e arrivare agli utenti, allora nel PTP al posto di un trasformatore 15KV/400V ne metto uno e arrivo così all’utente che si trova a 1500 metri e poi riabbasso la tensione da 15KV/900V a 900V/400V con un trasformatore BT/BT. Questa soluzione dà dei benefici in termini di qualità del servizio.

L’elettrificazione rurale è praticamente la distribuzione dell’Enel, perché le grandi città come Torino, Milano, Napoli, Firenze, Brescia dipendono tutte da aziende municipalizzate locali mentre all’Enel è rimasta Palermo e tutto il territorio italiano per quanto riguarda l’elettrificazione rurale. Questo sistema della BT a 900 V è stato usato anche in Finlandia.

Cabine in muratura

La soluzione alternativa a fare le cabine su palo è quella di fare cabine in muratura. Non è proprio un’alternativa perché oltre una certa potenza siamo obbligati a farla. Le cabine in muratura sono realizzate in locali appositi oppure si possono trovare inserite all’interno di edifici. Le città sono piene di palazzi che hanno al piano terra la cabina dell’Enel.

Tipologie di montaggio

• Montaggio a vista o a giorno
• Montaggio protetto
• Montaggio blindato

Montaggio a vista o a giorno

Tutti i conduttori di MT che vanno fino al trasformatore, cioè tutto ciò che è MT (sezionatori, collegamenti, protezioni) sono tutte collegate tramite tondini di rame nudo isolato con opportuni isolatori dalle pareti e da tutto l’insieme della cabina. Dato che tutto è in tensione e tutto è a giorno c’è il rischio che qualcuno si appoggi sopra, allora è fondamentale che ci siano adeguati distanziamenti e barriere. Le barriere devono impedire proprio il contatto accidentale. Le cabine a giorno che sono in servizio nella stragrande maggioranza sono cabine Enel che si inseriscono su linee aeree sono cabine lunghe.

Tipicamente nella parte alta della cabina abbiamo tutto ciò che è il montaggio a giorno (sezionatore, fusibili, tondini di rame) e dovranno essere protetti da una barriera IP2x che garantisce che la mano possa superare la barriera, poi i tondini di rame scendono lungo la parete ed arrivano al trasformatore e poi si va verso la BT. Queste cabina MT/BT seguono uno sviluppo dall’alto verso il basso. La BT non è a giorno ma è distribuita con cavo isolato, il montaggio a giorno riguarda solo il lato MT.

Montaggio protetto

Tutte le apparecchiature di MT sono contenute entro armadi protetti. L’isolamento fra le parti in tensione all’interno dell’armadio è garantito dall’aria, e questo implica ingombri relativamente elevati.

Montaggio blindato

Tutte le apparecchiature di MT sono contenute in armadi blindati che devono contenere esafluoruro di zolfo SF6, un gas che ha ottime proprietà di rigidità dielettrica superiore a quella dell’aria e consente di mantenere l’isolamento mantenendo le parti in tensione molto più vicine fra di loro. Quindi la differenza fra montaggio protetto e blindato è proprio data dalla presenza dell’SF6 e dai vantaggi ad esso connessi. Per quanto riguarda la BT è identico a quello del montaggio a giorno.

Vantaggi del montaggio protetto o blindato rispetto al montaggio a vista

Un primo vantaggio del montaggio protetto o blindato è che si utilizzano moduli standardizzati, quindi il montaggio è molto semplificato, si comprano i quadri e si montano. Abbiamo quindi un vantaggio sui costi di realizzazione della cabina soprattutto sulla manodopera. Altro vantaggio è che abbiamo una maggiore affidabilità perché garantisce insensibilità rispetto ad agenti atmosferici esterni ed animali (problema dei topi). Il grado di protezione che si ottiene è molto elevato.

Il grado di protezione nei confronti della penetrazione di corpi solidi e dell’acqua è indicato dalla sigla IPxx (xx sono dei numeri). Il primo numero indica la protezione dai corpi solidi. Il secondo numero indica la protezione dalla penetrazione dell’acqua. Si va come minimo da un IP 3x per il montaggio protetto o blindato. IP 1x indica che può passare una mano. IP 2x indica che può passare un dito. IP 3x indica che può passare un corpo di diametro di 10mm. IP 4x indica che può passare un corpo di diametro di 1mm. E così via a diminuire fino ad arrivare alla completa protezione dalle polveri in qualunque direzione, spinta, ecc.

Il secondo numero indica la protezione rispetto all’acqua. Per i quadri si può arrivare facilmente a IP 55 o IP 65 e ciò vuol dire che sono completamente chiusi e protetti rispetto alle polveri, all’acqua da qualunque direzione arrivi compresi gli spruzzi. Si può arrivare a livelli più alti per esempio con quadri totalmente sommersi anche fino alla profondità di 1 metro (IP 65 – IP 67). Su un montaggio a giorno ci scordiamo questi livelli di protezione.

Le dimensioni di un montaggio protetto o blindato sono più contenute di un montaggio a giorno, e se facciamo il confronto fra il montaggio protetto e il montaggio blindato vediamo che il montaggio blindato richiede ingombri del 50% inferiori rispetto al montaggio protetto. I sistemi protetti o blindati hanno una vita superiore. I sistemi protetti o blindati possono essere gestiti con maggiore sicurezza rispetto ai sistemi a giorno perché i quadri possono essere dotati di interblocchi che impediscono tutta una serie di manovre accidentali (chiavi in un certo punto, leve in determinate posizioni, ecc.). Se uno ha più cabine può gestire gli interblocchi su cabine diverse (per esempio non si può aprire un sezionatore di una cabina alimentata da un’altra se prima non ho aperto il sezionatore da cui quella cabina è alimentata, o magari non può chiudere se l’altro non è aperto). Il modo più semplice per fare interblocchi in questo caso è utilizzare delle chiavi, non posso togliere una chiave se per esempio non ho aperto il sezionatore.

Le cabine protette o blindate hanno tempi di posa (costruzione) ridotti rispetto a una cabina a giorno e questo è dovuto al fatto di avere moduli standardizzati. Altro vantaggio che però riguarda solo il blindato è il fatto di utilizzare SF6 che è un gas ininfiammabile e quindi riusciamo a ridurre il rischio di incendi. Invece nel montaggio a giorno l’esecuzione è fissa, non possiamo fare grandi variazioni, devono essere presenti reti o barriere che garantiscano la protezione da contatti accidentali, come minimo IP1x. Inoltre dobbiamo preoccuparci della sensibilità nei confronti dell’ambiente esterno (umido e animali), dobbiamo garantire l’aerazione senza che questa consenta il passaggio di animali. Gli ingombri sono superiori e i tempi di posa più lunghi.

Per quanto riguarda le cabine in protetto o blindato, in certi casi si ricorre a cabine sotterranee. Esse non differiscono da quello che abbiamo già detto, l’unica cosa è che dobbiamo fare in modo che la cabina non si allaghi per le acque piovane. Per questo le cabine sono realizzate in modo che il muro perimetrale della cabina sia separato dai muri di contenimento, e ciò garantisce anche l’esecuzione di un cavedio e si può porre una griglia di aerazione nel soffitto che consente sia l’aerazione della cabina che del cavedio.

Criteri di progettazione

Quali sono i criteri di progettazione che si seguono?

Ubicazione e tipo

Se ho molti gradi di libertà la cabina la posiziono il più vicino possibile al baricentro elettrico dei carichi perché è la condizione migliore per quanto riguarda le cadute di tensione. Questo vale sia per le cabine che per i quadri. L’altra condizione importante che deve essere considerata riguarda il discorso della manutenzione perché la posizione deve consentire di effettuare lavori in modo semplice, senza spendere troppo.

Il tipo di cabina dipende dall’utilizzo che devo fare, se è una cabina di distribuzione la farò in un modo, se è una cabina di smistamento la farò in un altro modo, se deve avere entrambe le funzioni sarà ancora diversa. È importante tener conto del problema degli incendi, soprattutto se per esempio la cabina la devo fare all’interno di locali di pubblico spettacolo, ospedali, chiese dove comunque la gravità dell’incendio è maggiorata dalla presenza di un gran numero di persone. In queste condizioni dovrò prendere tutti i provvedimenti per quanto riguarda il rischio di incendio, e per esempio in una situazione di questo tipo è preferibile usare un trasformatore in resina piuttosto che un trasformatore in olio.

Un altro importante criterio di progettazione da seguire è fare la distinzione se la cabina è per un utente o per l’ente distributore. Se sto facendo una cabina per l’ente distributore dovrò verificare se l’arrivo alla cabina sarà con linea aerea o linea in cavo.

Se l’arrivo è in linea aerea ho a disposizione due scelte possibili:

• Utilizzare dei terminali in cavo isolato che si attestano sulla linea aerea e mi fanno una derivazione in cavo che arriva fino alla cabina
• Posso attestare la cabina direttamente sulla linea aerea

Nel secondo caso avrò bisogno di isolatori passanti. Sono necessari per far passare un elemento in tensione attraverso le pareti della cabina. A monte di questi isolatori passanti ci saranno spinterometri o scaricatori. Lo scaricatore è un dispositivo più sofisticato dello spinterometro, ma ha sostanzialmente la stessa funzione che è quella di contenere le sovratensioni e scaricare a terra la sovratensione (per esempio la corrente indotta di un fulmine che colpisce la linea). A valle degli isolatori passanti ci saranno sezionatori che hanno la funzione di separare la cabina dalla rete.

Il trasformatore è sempre preceduto da un dispositivo di sezionamento e protezione. Se c’è un guasto la protezione interviene automaticamente e quando vado a fare i lavori apro il sezionatore. Oppure non ci sono guasti ma devo fare dei lavori allora apro l’interruttore poi apro il sezionatore perché il sezionatore deve lavorare a vuoto. Se invece non ho un sezionatore ma un interruttore di manovra sezionatore allora posso pensare di aprirlo direttamente su carico senza aprire prima l’interruttore automatico. Se come protezione ho il fusibile e devo fare lavori senza che ci sia guasto non ho la possibilità di mettere a vuoto il sistema allora in questo caso sono obbligato ad avere un interruttore di manovra sezionatore. Il fusibile interviene solo sul guasto.

L’interruttore di manovra sezionatore non apre e non chiude in occasione dei guasti non fa protezione. Il sezionatore è necessario per questioni di sicurezza perché se si fanno lavori elettrici deve essere garantito il sezionamento visibile. Se ho quadri in blindato il sezionamento è garantito dalla corretta sequenza di chiavi e leve. Con quadri in blindato si realizzano vere e proprie cabine primarie da 150 KV e anche i sezionatori e interruttori sono contenuti nelle celle blindate in SF6 dove il sezionamento visibile ad occhio nudo poteva essere un problema. Anche gli interruttori di BT hanno il sezionamento inserito tant’è che per richiudere l’interruttore bisogna prima riarmarlo. In BT tutto è in un unico apparecchio mentre in MT e AT abbiamo apparecchi separati. Il trasformatore utilizzato è un Δy 11 raffreddato in olio (quelli raffreddati in aria sono rarissimi e se ci sono li abbiamo non dentro cabine in muratura ma su cabine PTP da 50 KVA non di più).