LA SICUREZZA ELETTRICA IN BASSA TENSIONE 

La cabina di trasformazione d'utente (2)

14.4        Dimensionamento dei componenti MT

14.4.1  Conduttori

I conduttori del lato media tensione sono costituiti normalmente da tondini nudi di rame (o alluminio) installati a giorno. La corrente del lato MT è di valore piuttosto modesto perciò si adottano sovente tondini del diametro di 8 mm (un tondino di rame nudo installato a giorno può sopportare un’intensità di corrente di circa 140 A) dimensionati per ottenere una buona resistenza meccanica nei confronti delle sollecitazioni elettrodinamiche e quindi di sezione superiore alle reali esigenze di portata. I tondini vengono montati su isolatori rigidi distanziati di 1, 1,2 m e l’isolamento è ottenuto tramite il distanziamento in aria. Le distanze minime, funzione della tensione massima di riferimento per l’isolamento, possono essere calcolate tramite le seguenti

Distanza minima fra i conduttori
Distanza minima tra i conduttori e massa (mensole, muri ecc.) Dove UM è la tensione massima di riferimento per l’isolamento – ad esempio per una cabina con Un=20 kV VM=24 kV)
Altezza dei conduttori dal pavimento

Queste distanze minime si riferiscono all’aria come isolante. Usando un isolante diverso, come ad esempio esafluoruro di zolfo (SF₆) nelle esecuzioni blindate, le distanze minime cambiano, diminuendo all’aumentare della rigidità dielettrica dell’isolante.

14.4.2  Apparecchi di manovra

Sono scelti principalmente in base alla tensione d’esercizio, al livello d’isolamento corrispondente a U_M , alla portata, e al potere d’interruzione. Oltre a questo, nella scelta delle apparecchiature di manovra, l’utente deve rispettare le condizioni poste dalla società distributrice onde evitare possibili interventi intempestivi che potrebbero influire sulla continuità del servizio elettrico; in altre parole è necessario garantire la selettività tra le apparecchiature dell’utente e quelle della società distributrice installate in cabina primaria. A tal fine per potenze fino a 400 kVA si possono impiegare interruttori di manovra-sezionatori con fusibili, per potenze superiori a 400 kVA interruttori automatici con due o tre relè di massima corrente a tempo indipendente con corrente di intervento istantaneo non superiore a 600 A. Il motivo per cui si considera come livello massimo 400 kVA per l’impiego dell’interruttore di manovra-sezionatore con fusibili è dovuto al fatto che nel caso di impianti a 20 kV la curva di intervento del fusibile da 40 A (protezione per un trasformatore di 400 kVA) non interferisce ancora con le curve di intervento dei relè dell’interruttore di cabina primaria della società distributrice (vale anche per il fusibile da 63 A che protegge il trasformatore da 400 kVA a 15 kV (ovviamente non è impedito l’impiego di un interruttore automatico). Per ripartenze di linee di MT superiori ai venti metri, l'interruttore deve essere equipaggiato anche con relè di terra con intervento istantaneo a corrente di intervento non superiore a 5 A. In particolare la corrente totale sul lato media tensione è data da:

dove: A_n è la potenza apparente in kVA e U₁ è la tensione nominale lato MT in kV.

La scelta della portata sarà effettuata tra apparecchiature con valori non inferiori a quelli così calcolati, scelta che comunque non è mai un problema in quanto gli interruttori e i sezionatori MT sono solitamente costruiti con portate minime di 200¸400A. Per quanto riguarda la scelta del potere d’interruzione si deve far riferimento alla potenza di corto circuito della rete nel punto d’installazione della cabina. Questo dato è fornito dalla società distributrice ed è generalmente dell’ordine dei 500¸1000 MVA. Indicando con A_cc tale potenza, con I_cn il potere d’interruzione simmetrico e con U_M il valore massimo della tensione di riferimento dell’isolamento, si ottiene:

da cui:

L’interruttore generale all’ingresso della cabina e quelli posti sui montanti dei trasformatori dovranno avere un potere d’interruzione uguale o superiore a tale valore. Teoricamente gli interruttori posti sui montanti dei trasformatori potrebbero essere scelti con una I_cn inferiore a causa delle impedenze dei collegamenti a monte che dovrebbero limitare il valore della corrente di corto circuito. In pratica, essendo le impedenze di tali collegamenti di valore modesto, il valore della corrente di corto circuito non varia significativamente e gli interruttori sono generalmente scelti tutti con lo stesso potere d’interruzione. Quando la cabina è accessibile anche a persone non addestrate è consigliabile l’uso di sezionatori sotto carico per evitare manovre errate come l’apertura del sezionatore quando vi è corrente nel circuito. Questo problema non esiste nelle cabine prefabbricate perché esistono dei dispositivi di blocco che impediscono le manovre errate. Il quadro di MT può essere protetto e fondamentalmente di due tipi:

·         Quadro protetto con isolamento in aria

Sono di dimensioni unificate fino alla tensione di esercizio di 24 kV e sono caratterizzati dal sezionatore o interruttore di manovra-sezionatore di tipo rotativo che determina, quando è aperto, la segregazione dello scomparto sbarre e lo scomparto linea. Fino a 400 kVA è generalmente dotato di interruttore di manovra–sezionatore con fusibili. L’intervento anche di un solo fusibile determina l’apertura automatica dell’interruttore di manovra–sezionatore. I principali dati elettrici di questo tipo di quadro sono: tensione nominale di esercizio 24 kV, corrente nominale 400-630-800 A, corrente di corto circuito simmetrica 12,5, 16 kA. Per potenze superiori a 400 kVA il quadro è invece equipaggiato con sezionatore e interruttore automatico a volume d’olio ridotto o in gas SF₆.

·         Quadro protetto con isolamento in SF₆

E’ costituito da un involucro di acciaio inox a perfetta tenuta di gas all’interno del quale sono montate le apparecchiature. L’isolamento è fornito dalla presenza dell’SF₆ alla pressione di 120 kPa. Le principali caratteristiche sono: tensione nominale 24 kV corrente nominale 400-630 A, corrente di corto circuito simmetrica di 16-25 kA. Rispetto ad un quadro con isolamento in aria presenta il vantaggio di avere dimensioni ridotte e di non risentire l’influenza delle condizioni ambientali. Risulta quindi particolarmente adatto all’installazione in ambienti umidi o inquinati.

14.4.3  Fusibili

Spesso la protezione da corto circuito è fornita da fusibili di forma cilindrica montati su isolatori con attacchi a baionetta ed eventualmente manovrabili per mezzo di fioretto (attrezzo ad asta isolato che permette l’apertura manuale in sicurezza). La portata, il potere d’interruzione e la tensione sono scelti con gli stessi criteri visti per gli interruttori. La portata dovrà essere scelta in base alla corrente nominale primaria I₁ risultante dalla nota relazione:

La scelta della terna di fusibili a media tensione dovrà essere effettuata con una corrente nominale non inferiore alla I₁ e tale da non provocare un intervento intempestivo (come ad esempio durante l’inserzione del trasformatore con correnti che assumono anche valori dieci volte superiori alla I₁) e da garantire la selettività con il resto dell’impianto (normalmente sono scelti con corrente nominale superiore di due o tre volte rispetto alla corrente primaria).

Tab. 14.1 – Caratteristiche elettriche di fusibili MT

14.5        Scelta delle protezioni

14.5.1  Protezione dalle sovratensioni

Le sovratensioni che possono interessare le cabine possono essere di origine sia interna (ad esempio a causa di un’apertura molto rapida di un circuito induttivo) che atmosferica (dovuta a fulminazioni dirette o indirette delle linee). Una sovratensione si manifesta con un anormale innalzamento della tensione verso terra e/o tra le fasi rispetto al normale valore di funzionamento. La protezione delle sovratensioni di origine interna si ottiene con il coordinamento dell’isolamento o mediante dispositivi adatti per lo scopo, la protezione dalle sovratensioni di origine atmosferica, solo per le cabine ad alimentazione per via aerea (le linee aeree fungono da guida d’onda per le sovratensioni), mediante i cosiddetti scaricatori di sovratensioni installati sul lato MT.

Fig. 14.5 – a) Simbolo grafico dello scaricatore di sovratensioni    b) Principio di funzionamento

Lo scaricatore (fig. 14.5) è sostanzialmente costituito da due elettrodi, di cui uno   collegato alla linea e l’altro collegato a terra. In condizioni di normali esercizio, anche quando si verifica una sovratensione compatibile con il livello di isolamento del sistema, lo scaricatore, comportandosi come un isolatore, mantiene la linea isolata da terra. Quando la sovratensione tra il punto A e la terra supera il livello di innesco del dispositivo, tra gli elettrodi si manifesta una scarica che convoglia verso terra l’onda di sovratensione, proteggendo le apparecchiature installate a valle finché, quando la tensione ritorna ai valori normali, lo scaricatore interrompe l’arco elettrico ripristinando le condizioni di normale funzionamento. La tensione verso terra durante la scarica vale:

dove V_S e V_T sono rispettivamente la tensione applicata allo scaricatore e alla presa di terra quando sono attraversati dalla corrente di scarica I_S. V_A0 è la tensione che sollecita le apparecchiature a valle (che dovranno per questo essere dimensionate con un isolamento adeguato) nel momento del guasto.  Gli scaricatori devono essere installati il più vicino possibile alle apparecchiature da proteggere. Normalmente se ne installa uno all’ingresso della cabina e uno direttamente sul trasformatore (fig. 14.6).

Fig. 14.6 – Scaricatori installati all’ingresso della cabina (a) e direttamente sul trasformatore (b)

Di seguito sono descritti, dal punto di vista costruttivo, i diversi tipi di scaricatori per la MT che si trovano in commercio:

·      Scaricatori spinterometrici, sono costituiti da un isolatore su cui sono montate due aste metalliche regolate ad una distanza che dipende dalla tensione d’innesco (fig. 14.7). Vengono montati direttamente sulle apparecchiature da proteggere come ad esempio i trasformatori.

Fig. – 14.7 – Scaricatore spinterometrico

·         Scaricatore ad espulsione, è costituito dalla serie di uno spinterometro esterno e uno interno posto in un tubo isolante rivestito da una particolare sostanza organica. L’arco elettrico sviluppa calore che, agendo su questo rivestimento, produce una notevole quantità di gas che, scaricandosi all’esterno, allunga l’arco, lo raffredda e lo estingue.

·         Scaricatori a resistenza non lineare, sono impiegati prevalentemente in sistemi ad alta tensione. Sono costruiti connettendo in serie uno spinterometro (Sp) e una resistenza R con caratteristica volt-amperometrica non lineare (fig. 14.8 a). Durante la fase di scarica la corrente aumenta ma la tensione rimane pressoché costante dal momento che la resistenza R, costituita da un particolare materiale ceramico, nonostante l’aumento della temperatura a cui è sottoposta per effetto Joule, diminuisce di valore. Durante la fase di annullamento della corrente la tensione risulta minore (curva a linea continua) dei valori rappresentati dalla curva a linea tratteggiata (fig. 14.8 b ).      

Fig. 14.8 – a)   Rappresentazione di uno scaricatore a resistenza non lineare    b) Caratteristica volt-amperometrica

continua...