Come funzionano i quadri di media tensione nei sistemi di distribuzione dell'energia

La spina dorsale tra generazione e consumo

Cammina attraverso qualsiasi città moderna e incontrerai decine di installazioni che dipendono daquadri di media tensionesenza mai vederne uno. Si trovano all’interno di edifici non contrassegnati, dietro le recinzioni delle sottostazioni, negli scantinati delle torri commerciali e ai margini dei parchi industriali. Sono i nodi elettrici in cui la potenza passa dalla tensione di livello di trasmissione alla tensione effettivamente utilizzata da fabbriche, data center, ospedali e condomini.

I quadri di media tensione occupano un posto specifico nella catena di distribuzione dell'energia. Si trova tra la rete di trasmissione ad alta tensione (linee da 110 kV, 220 kV o 400 kV che trasportano energia su lunghe distanze) e la rete di distribuzione a bassa tensione a 400 V o 230 V che si collega alle apparecchiature dell'utente finale. L'intervallo di media tensione, generalmente definito come tensioni superiori a 1 kV e fino a 40,5 kV o 52 kV a seconda dello standard applicato, è il luogo in cui l'energia elettrica viene suddivisa e instradata a carichi diversi in una struttura o in un'area geografica.

Questo articolo spiega come funzionano i quadri di media tensione a livello di sistema, quali funzioni svolgono e perché le scelte effettuate nelle specifiche dei quadri influiscono sulla sicurezza, sull'affidabilità e sui costi operativi dell'intera rete di distribuzione a valle.

Dove si trovano i quadri di media tensione nel sistema

Per capire cosa fa un quadro di media tensione è utile tracciare il percorso della potenza dalla rete al carico.

Un tipico impianto industriale o commerciale riceve energia dalla rete locale a media tensione: 10 kV, 11 kV, 20 kV o 33 kV sono comuni a seconda del Paese. Questa energia arriva attraverso cavi sotterranei o linee aeree ed entra nel quadro principale dell'impianto, che è un quadro di media tensione. Da lì scorre attraverso interruttori automatici e sbarre collettrici verso diverse destinazioni. Alcuni alimentatori vanno a trasformatori che riducono la tensione a 400 V per la distribuzione generale all'interno della struttura. Altri alimentatori possono servire grandi motori, refrigeratori o compressori direttamente a media tensione perché il carico è troppo grande per essere servito economicamente a bassa tensione. Altri alimentatori ancora possono collegarsi alla generazione in loco, come turbine a gas o generatori diesel di riserva, o a fonti di energia rinnovabile come gli inverter solari sui tetti.

Il quadro di media tensione è il punto di controllo di tutti questi flussi di potenza. Può collegare o isolare ciascun alimentatore individualmente. Può proteggere ogni alimentatore dai guasti. Può dividere l'autobus in sezioni separate per migliorare l'affidabilità. E fornisce i punti di misurazione e monitoraggio che gli operatori dell'impianto utilizzano per capire cosa sta facendo il loro sistema elettrico in un dato momento.

Funzioni principali diQuadri di media tensione

I quadri di media tensione svolgono quattro funzioni fondamentali in un sistema di distribuzione dell'energia. Capire ciascuno di essi spiega perché l'attrezzatura è progettata così com'è.

Funzione uno: commutazione in condizioni normali

La funzione più elementare di qualsiasi quadro è connettere e disconnettere i circuiti sotto carico normale. Un alimentatore di una linea di produzione deve essere energizzato quando la linea è in funzione e diseccitato per la manutenzione. L'interruttore automatico del generatore deve chiudersi quando il generatore viene portato online e aperto quando viene messo offline. Un accoppiatore bus deve collegare due sezioni di sbarre collettrici quando un trasformatore viene messo fuori servizio e il trasformatore rimanente deve alimentare entrambe le sezioni.

Queste operazioni di commutazione sono di routine, ma non sono banali. Il dispositivo di commutazione deve essere in grado di interrompere la corrente a pieno carico senza creare archi elettrici eccessivi o erosione dei contatti. Deve essere in grado di eseguire questa operazione migliaia di volte nel corso della sua vita utile. E deve farlo in modo da non compromettere la sicurezza dell'operatore che sta davanti al pannello.

Gli interruttori automatici in vuoto gestiscono oggi questo compito per la maggior parte delle applicazioni di media tensione. L'ampolla sottovuoto estingue l'arco all'interno di una bottiglia di ceramica sigillata dove non c'è gas da ionizzare, olio da degradare e niente da mantenere. Per le applicazioni con frequenza di commutazione inferiore, è possibile utilizzare sezionatori di carico, che sono più semplici e meno costosi degli interruttori automatici completi, per alimentatori che non dovrebbero interrompere la corrente di guasto.

Funzione due: protezione dai guasti

Se la commutazione in condizioni normali è il lavoro di routine del quadro, la protezione dai guasti è la sua missione fondamentale. Un guasto, un cortocircuito tra fasi o tra una fase e la terra, può rilasciare energia su una scala difficile da visualizzare. La corrente nel punto di guasto può raggiungere decine di migliaia di ampere in millisecondi. Le forze termiche e meccaniche generate da questa corrente possono distruggere apparecchiature, provocare incendi e ferire il personale.

Il quadro deve rilevare il guasto, interrompere la corrente e isolare la sezione guasta prima che si verifichi una qualsiasi di queste conseguenze. Ciò richiede che tre cose lavorino insieme: un relè di protezione che rilevi la corrente anomala, un interruttore automatico che possa interromperla e una progettazione del sistema che limiti i danni collaterali alle parti sane della rete.

I relè di protezione di media tensione sono diventati sempre più sofisticati. I moderni relè numerici sono in grado di distinguere tra diversi tipi di guasti, discriminare tra guasti sull'alimentatore protetto e guasti a valle e registrare dati sulla forma d'onda che aiutano gli ingegneri a capire cosa è successo dopo l'evento. Ma il relè può solo inviare un segnale di intervento. L'interruttore deve quindi separare fisicamente i suoi contatti contro tutte le forze elettromagnetiche della corrente di guasto, estinguere l'arco che si forma tra di loro e recuperare la sua rigidità dielettrica abbastanza velocemente da impedire la riaccensione. Questo è ciò per cui è progettato e testato un interruttore automatico in vuoto con una corrente di interruzione nominale di cortocircuito di 25 kA o 31,5 kA.

Funzione tre: isolamento per la sicurezza

La protezione dai guasti elimina automaticamente le condizioni pericolose. L'isolamento è un'azione deliberata intrapresa per rendere le attrezzature sicure su cui le persone possono lavorare.

Quando una squadra di manutenzione deve accedere a un trasformatore, a una terminazione di cavo o a un interruttore automatico, ha bisogno di un'interruzione visibile e verificabile nel circuito. Devono sapere che il circuito non può essere rimesso sotto tensione accidentalmente. E hanno bisogno che l'apparecchiatura sia collegata a terra in modo che qualsiasi tensione residua o indotta non possa rappresentare un pericolo.

I quadri di media tensione forniscono tutto ciò attraverso la combinazione di interruttori automatici, sezionatori e sezionatori di terra, tutti interbloccati in modo che il funzionamento segua una sequenza sicura. L'operatore deve prima aprire l'interruttore, poi aprire il sezionatore per creare uno spazio di isolamento visibile, quindi chiudere il sezionatore di terra per mettere a terra la sezione isolata. Gli interblocchi meccanici impediscono che qualcuno di questi passaggi venga eseguito fuori servizio. Questo è il sistema di interblocco "cinque prevenzioni" standard su tutti i moderniquadri di media tensione.

Funzione quattro: misurazione e monitoraggio

Nessun sistema di distribuzione può essere gestito senza dati. Le misurazioni della corrente indicano ai relè di protezione cosa sta facendo il sistema. Le misurazioni della tensione consentono il monitoraggio della qualità dell'energia e i controlli di sincronizzazione. Le misurazioni energetiche costituiscono la base per la fatturazione e la ripartizione dei costi. Inoltre, sempre più spesso, i dati di monitoraggio delle condizioni del quadro stesso (temperatura, scarica parziale, tempo di percorrenza del meccanismo) vengono utilizzati per prevedere quando è necessaria la manutenzione prima che si verifichi un guasto.

I quadri di media tensione integrano tutte queste funzioni di misura. I trasformatori di corrente e i trasformatori di tensione sono montati nel vano cavi o sulle sbarre. Le loro uscite secondarie sono collegate a relè di protezione, misuratori e trasduttori nello scomparto di bassa tensione. Nelle installazioni moderne, questi dispositivi comunicano tramite protocolli digitali come IEC 61850, Modbus o Profibus con lo SCADA centrale della struttura o il sistema di gestione dell'energia. Il pannello del quadro è sia un dispositivo di potenza che una fonte di dati.

Configurazioni di quadri nei sistemi di distribuzione

La disposizione fisica dei quadri di comando in un sistema di distribuzione non è arbitraria. Riflette la filosofia operativa della struttura e i requisiti di affidabilità dei carichi serviti.

Sbarra singola

La configurazione più semplice è una singola sbarra alla quale sono collegate tutte le linee in arrivo e in partenza. Un unico trasformatore alimenta il bus. Se il trasformatore si guasta o viene messo fuori servizio per manutenzione, tutti i carichi su quel bus perdono potenza. Questa configurazione è economica e semplice da utilizzare, ma non offre ridondanza. Viene utilizzato laddove le conseguenze di un'interruzione della fornitura sono tollerabili: un piccolo edificio commerciale, un processo industriale non critico o una fornitura edilizia temporanea.

Sbarra singola sezionata

L'aggiunta di un interruttore automatico di sezione sbarre crea due sezioni di sbarre che possono funzionare in modo indipendente o essere accoppiate insieme. Ogni sezione è alimentata dal proprio trasformatore. Se un trasformatore si guasta, l'accoppiatore bus si chiude e il trasformatore funzionante alimenta entrambe le sezioni. I carichi subiscono una breve interruzione durante il trasferimento, ma il servizio viene ripristinato rapidamente. Questa è la configurazione più comune per gli impianti industriali e commerciali di medie dimensioni in cui sono accettabili alcuni tempi di inattività per la manutenzione, ma non la perdita totale di fornitura.

Main-Tie-Main

Una configurazione principale-collegamento posiziona un accoppiatore bus tra due sezioni bus separate, ciascuna con il proprio interruttore e trasformatore principale in ingresso. L'accoppiatore è normalmente aperto. Se uno dei trasformatori viene perso, l'accoppiatore si chiude automaticamente o tramite l'azione dell'operatore. Questa configurazione offre una maggiore affidabilità rispetto ad un semplice bus sezionato perché il funzionamento dell'accoppiatore può essere automatizzato e il trasferimento può avvenire senza alcun intervento da parte dell'operatore. Viene utilizzato in strutture critiche come ospedali, data center e impianti industriali a processo continuo.

Configurazione dell'unità principale Ring (RMU).

Per le reti di distribuzione che servono più carichi geograficamente dispersi (un campus universitario, una rete di distribuzione urbana, un sistema di collettori di parchi eolici) la configurazione dell'unità principale ad anello è la soluzione standard. Diversi pannelli RMU sono collegati in un anello, ciascun pannello contiene tipicamente due sezionatori di carico per gli alimentatori ad anello e un interruttore automatico o interruttore con fusibile per il trasformatore locale. La potenza può fluire in entrambe le direzioni attorno all'anello. Se si verifica un guasto al cavo in un punto qualsiasi dell'anello, i due pannelli RMU adiacenti al guasto possono isolare la sezione danneggiata e tutti gli altri carichi continuano a ricevere alimentazione dal lato sano dell'anello. Questa architettura fornisce un livello di affidabilità di fornitura che un sistema radiale non può eguagliare, a un costo molto inferiore rispetto alla duplicazione dell’intera infrastruttura di fornitura.

COTENELE fornisce RMU da 24 kV SF₆-free per applicazioni principali ad anello, utilizzando aria secca come mezzo isolante in un serbatoio in acciaio inossidabile sigillato a vita. I moduli RMU (ingresso, uscita, protezione del trasformatore, accoppiatore bus e misurazione diretta) sono costituiti da sottogruppi standardizzati e omologati che possono essere configurati per adattarsi allo schema unifilare del progetto.

La transizione verso l'assenza di SF₆ nei quadri di distribuzione

Uno sviluppo importante nei quadri di media tensione negli ultimi dieci anni è stato l’abbandono del gas SF₆ come mezzo isolante e di estinzione dell’arco. Ciò è particolarmente rilevante per i quadri isolati in gas e le unità principali ad anello, dove SF₆ veniva tradizionalmente utilizzato per riempire il serbatoio sigillato che racchiude tutte le parti sotto tensione.

Il motore di questa transizione è la regolamentazione ambientale, in particolare il regolamento UE sui gas fluorurati che ora vieta nuovi quadri SF₆ fino a 24 kV sul mercato europeo. Ma la transizione è supportata anche da una solida logica ingegneristica. L’aria secca e l’azoto hanno un potenziale di riscaldamento globale pari a zero, non richiedono una gestione speciale al termine del loro ciclo di vita ed eliminano l’onere amministrativo della tenuta dei registri dei gas fluorurati e della segnalazione delle perdite. L'interruzione del vuoto, che da decenni costituisce lo standard per le applicazioni degli interruttori automatici, fornisce la funzione di spegnimento dell'arco senza l'utilizzo di gas.

Per un operatore di struttura, la differenza pratica tra un SF₆RMU e un RMU ad aria secca è minima in termini di prestazioni elettriche: entrambi sono testati secondo lo stesso standard IEC 62271-200. La differenza si manifesta nelle procedure operative. Una RMU ad aria secca con un serbatoio sigillato a vita non ha alcuna pressione del gas da monitorare, nessun programma di rifornimento da rispettare e nessun recupero del gas a fine vita da organizzare. Per un gestore di servizi pubblici o industriale che gestisce centinaia di sottostazioni, questa semplificazione ha un valore reale.

Progettazione di un sistema di distribuzione: le specifiche del quadro

Per gli ingegneri che specificano quadri di media tensione, diverse decisioni definiscono la configurazione finale del sistema.

Livello di tensione e guasto. La tensione del sistema determina la progettazione dielettrica del quadro. La corrente di guasto disponibile determina il potere di interruzione di cortocircuito richiesto. Entrambi sono stabiliti dalla connessione alla rete a monte e dall'impedenza del trasformatore. Sottospecificare la classificazione degli errori è pericoloso. Specificarlo eccessivamente aggiunge costi inutili. Il numero giusto deriva da uno studio sul cortocircuito.

Configurazione sbarre. La scelta tra le configurazioni a sbarre singole, a sbarre sezionate e alle configurazioni principale-connettore-principale dipende dai requisiti di affidabilità e dal budget. Le configurazioni ad affidabilità più elevata aumentano il numero di pannelli, i costi e la complessità, ma proteggono dalla causa più comune di interruzioni prolungate: il guasto del trasformatore.

Interruttore automatico contro contattore con fusibile. Per gli alimentatori che alimentano trasformatori, un interruttore automatico fornisce protezione sia da sovraccarico che da cortocircuito. Per le partenze che alimentano i motori, un contattore con fusibile può essere più economico e fornire una migliore protezione contro le condizioni di guasto specifiche del motore. La decisione dipende dal tipo di carico e dal livello di coordinamento della protezione richiesto.

Fisso o ritirabile. I quadri fissi sono più semplici e meno costosi, ma qualsiasi manutenzione sull'interruttore richiede la diseccitazione dell'intera sezione del bus. Il quadro estraibile consente di estrarre un interruttore per la manutenzione mentre il bus rimane sotto tensione. Per le strutture critiche in cui i tempi di inattività sono estremamente costosi, la configurazione estraibile è solitamente giustificata.

Integrazione e comunicazione. Il quadro deve interfacciarsi con il sistema di protezione e controllo dell'impianto. Il protocollo di comunicazione, il tipo e la quantità di trasformatori di corrente e tensione e l'alimentazione ausiliaria per relè di protezione e circuiti di controllo devono essere tutti definiti nella specifica.