Le apparecchiature di media tensione sono un insieme coordinato di dispositivi di commutazione, relè di protezione, apparecchiature di controllo, strumenti di misurazione, sistemi di isolamento e involucri strutturali progettati per ricevere, distribuire e isolare l'energia elettrica nella gamma di media tensione, generalmente da 1 kV a 52 kV. L'insieme non è semplicemente un armadio metallico; è un sistema di protezione e distribuzione in cui ogni compartimento, interblocco e connessione di sbarre svolge una specifica funzione elettrica e di sicurezza. Comprendere queste funzioni è il primo passo per specificare la famiglia di armadi corretta per una sottostazione, un impianto industriale o un progetto di estensione della rete.
Le apparecchiature di media tensione si trovano tra la rete di trasmissione ad alta tensione e la rete di distribuzione a bassa tensione. Sul lato di alimentazione, terminano i cavi in ingresso o i secondari dei trasformatori a tensioni espresse in classi nominali come 12 kV, 24 kV o 40.5 kV. Sul lato di carico, alimentano trasformatori di distribuzione, motori di grandi dimensioni, batterie di condensatori o linee di alimentazione secondarie. Se l'unità funzionale selezionata include un interruttore automatico e un sistema di protezione, può interrompere la corrente di guasto necessaria; altre unità possono fornire isolamento, commutazione del carico, misurazione o interfacce per cavi. La configurazione finale deve essere compatibile con le dimensioni della sala della sottostazione e con le esigenze operative del progetto.
I quadri elettrici e di distribuzione di bassa tensione operano al di sotto di 1 kV e seguono una serie di norme e convenzioni di involucri differenti. Sebbene entrambe le famiglie di quadri elettrici di bassa e media tensione siano presenti nella stessa gamma di prodotti (la panoramica completa dei quadri elettrici le comprende entrambe), la filosofia di protezione, il coordinamento dell'isolamento e le conseguenze dell'arco elettrico differiscono sostanzialmente tra i livelli di tensione. Questo articolo si concentra sul lato di media tensione.
Un armadio di media tensione ben progettato integra cinque zone funzionali, ciascuna con un ruolo distinto.
Compartimento del circuito primario. Questa zona ospita il dispositivo di commutazione principale — un interruttore automatico a vuoto, un interruttore SF₆ o un interruttore di carico — insieme ai suoi terminali primari, ai trasformatori di corrente (CT) e ai trasformatori di tensione (VT). Il dispositivo di commutazione deve essere dimensionato per la tensione nominale del sistema, la corrente nominale continua e la capacità di interruzione di cortocircuito. Tali valori nominali sono specifici per il progetto; non esiste un singolo valore di dispositivo applicabile universalmente.
Compartimento delle sbarre collettrici. Le sbarre collettrici, orizzontali o verticali, trasportano la corrente tra le campate adiacenti. Le sbarre collettrici sono tipicamente in rame nudo o alluminio, dimensionate per la corrente termica continua e per la forza meccanica di picco che si verifica durante un guasto bullonato. La compartimentazione che separa le sbarre collettrici dalla zona degli interruttori limita la propagazione di un evento di arco elettrico.
Vano di terminazione dei cavi. I cavi in entrata o in uscita entrano dalla base o dalla parte posteriore di questa zona e si collegano al circuito primario tramite terminazioni a cono o a innesto. L'allocazione dello spazio dipende dal tipo di cavo, dal numero di conduttori, dal raggio di curvatura e dall'eventuale utilizzo di connettori ad angolo.
Vano di protezione, controllo e misurazione. Situato ad un'altezza di sicurezza per l'accesso dell'operatore, questo vano contiene il relè di protezione numerico, gli interruttori di controllo, gli strumenti di indicazione e le morsettiere ausiliarie. Il relè comunica tramite segnali cablati IEC 61850 o tradizionali con un livello di automazione della sottostazione. Il cablaggio secondario dei trasformatori di corrente (CT) e di tensione (VT) passa attraverso condotti schermati fino a questo vano.
Interblocco e accesso per la manutenzione. Gli interblocchi meccanici ed elettrici possono impedire l'inserimento o l'estrazione di un interruttore estraibile da una posizione non sicura, limitare l'accesso ai vani cavi sotto tensione e bloccare operazioni contrastanti degli interruttori di terra. L'esatta sequenza di interblocco dipende dalla progettazione del quadro elettrico e dalla procedura di cantiere approvata. Un accesso sicuro per la manutenzione degli interruttori o l'ispezione delle terminazioni dei cavi dipende dal corretto funzionamento e dalla corretta configurazione di tali interblocchi in base alla sequenza di commutazione specifica del progetto.
Per una descrizione dettagliata dei singoli componenti che compongono questi scomparti (trasformatori di corrente, trasformatori di tensione, scaricatori di sovratensione, relè e connettori per cavi), la sezione relativa ai componenti degli apparecchi di manovra fornisce le specifiche dettagliate per ciascuna famiglia di dispositivi.
Quattro principali famiglie costruttive rispondono a diverse esigenze di sito e di rete. La scelta tra di esse dipende dalla topologia della griglia, dallo spazio disponibile, dall'accesso per la manutenzione e dall'ambiente di isolamento, e non da una classificazione universale di un tipo rispetto a un altro.
KYN28 è una famiglia di quadri elettrici per interni in metallo in cui l'interruttore è generalmente montato su un carrello estraibile. Barriere metalliche separano i vani delle sbarre, dell'interruttore e dei cavi. Il meccanismo di estrazione consente di spostare l'interruttore in posizione di prova o di estrarlo completamente per la manutenzione, mantenendo in servizio le linee di alimentazione adiacenti, in base al progetto selezionato e alla procedura approvata. Questa configurazione è adatta a sottostazioni primarie e grandi impianti industriali dove l'isolamento delle singole linee di alimentazione e le prestazioni specificate in termini di arco interno sono prioritarie. Verificare la classificazione dell'arco interno applicabile nella documentazione del quadro selezionato. La pagina relativa al quadro elettrico in metallo KYN28 illustra in dettaglio le opzioni disponibili di tensione nominale, corrente e capacità di interruzione per questa famiglia.
Un'unità ad anello è un gruppo compatto progettato per reti di distribuzione secondaria ad anello. Può combinare funzioni di interruttore ad anello e di protezione in un involucro riempito di gas o con isolamento solido; la sequenza dei moduli e il metodo di protezione variano a seconda del progetto. Le dimensioni compatte la rendono adatta a chioschi, sottostazioni compatte o altre installazioni di distribuzione secondaria con spazio limitato, a condizione che la costruzione e la potenza nominale dell'installazione lo consentano. La gamma di unità ad anello comprende diverse varianti. La costruzione sigillata modifica il profilo di manutenzione, ma l'apparecchiatura selezionata necessita comunque delle ispezioni e dei controlli funzionali specificati.
Gli armadi della serie XGN utilizzano configurazioni di commutazione o protezione fisse, selezionate in base alle specifiche esigenze del progetto. L'assenza di un carrello estraibile può ridurre la profondità dell'armadio e modificare le procedure di manutenzione. Il confine effettivo dell'area di interruzione, il metodo di accesso, la compartimentazione e la configurazione delle protezioni devono essere definiti in base al progetto dell'armadio e allo schema unifilare, anziché essere dedotti dalla denominazione della famiglia XGN. La costruzione a configurazione fissa può essere adatta a progetti in cui il piano operativo e di interruzione lo consente e in cui non è richiesto un carrello estraibile per ogni linea di alimentazione.
I quadri elettrici isolati in gas utilizzano un involucro sigillato e messo a terra e un mezzo isolante specificato per il progetto selezionato. Questa costruzione può ridurre il volume di spazio libero rispetto a una configurazione equivalente isolata in aria. I quadri elettrici isolati in gas possono essere presi in considerazione quando lo spazio interno è limitato o quando i requisiti ambientali e operativi favoriscono la costruzione sigillata selezionata. Il mezzo isolante esatto, le esigenze di monitoraggio del gas, il sistema di sicurezza per la sovrapressione e i requisiti di manutenzione sono specifici per modello e progetto. I quadri elettrici isolati in gas non eliminano la manutenzione.
La norma internazionale che disciplina le apparecchiature di media tensione per tensioni nominali superiori a 1 kV e fino a 52 kV, IEC 62271-200 , definisce i criteri di classificazione — con involucro metallico rispetto a con involucro metallico, compartimenti accessibili rispetto a non accessibili, categorie di perdita di continuità e livelli di classificazione dell'arco interno — che sono alla base di tutte e quattro le famiglie descritte in precedenza.
| Famiglia di mobili | Classe di tensione tipica | Configurazione del circuito | impronta relativa | Modalità di accesso per la manutenzione | Contesto di progetto preferito |
|---|---|---|---|---|---|
| KYN28 Metal-Claid | Conferma la serie selezionata | Interruttore estraibile standard per baia | Moderato | Posizioni di test, isolamento e assistenza specifiche per la progettazione. | Sottostazione primaria o grande locale di media tensione industriale |
| Anello unità principale | Conferma la serie selezionata | Sequenza dei moduli impostata dal responsabile della rete | Terapia | Interruzione di servizio o di sezione per costruzioni sigillate | Rete di distribuzione ad anello o sottostazione compatta |
| XGN Tipo fisso | Conferma la serie selezionata | Disposizione fissa di commutazione o protezione | Profondità ridotta | Piano di interruzione e accesso specifico per la progettazione | Locale MV industriale con piano operativo adeguato |
| GIS | Conferma la serie selezionata | unità funzionali specifiche del progetto | Struttura compatta e sigillata | Monitoraggio del mezzo selezionato e verifiche funzionali | Spazio interno limitato o ambiente specifico del progetto |
Tutte le valutazioni sono specifiche per modello e progetto. Verificare i valori applicabili tramite la progettazione ingegneristica per ogni installazione.
La tabella identifica il contesto del progetto, non una classifica delle prestazioni. Un'unità RMU compatta in una rete ad anello non implica una protezione inferiore rispetto a un'unità KYN28 in una sottostazione primaria; ciascuna è ottimizzata per il proprio ambiente operativo.
Prima di emettere una specifica o avviare la procedura di appalto, un team di progetto deve in genere risolvere diverse questioni aperte. La tabella seguente associa le incertezze più comuni a una fase diagnostica consigliata.
Sintomo o quesito aperto | Primo test o conferma | Causa probabile | Prossima azione |
|—|—|—|
| Classe di tensione non confermata | Verificare i dati secondari del trasformatore e le informazioni di connessione alla rete | I dati di sistema sono incompleti | Ottenere il contratto di connessione approvato o i dati della targhetta del trasformatore |
| Livello di guasto non quantificato | Verificare se è stato approvato uno studio di cortocircuito | Lo studio di rete è incompleto | Ottenere lo studio del livello di guasto del progetto prima di selezionare il carico di interruzione |
| Installazione interna o esterna ancora da decidere | Verificare la planimetria e l'ambiente di installazione | Il progetto della stanza o del sito non è definitivo | Confermare le dimensioni della stanza, la ventilazione e i requisiti di chiusura |
| Numero di linee di alimentazione incerto | Verificare l'elenco dei carichi approvati e lo schema unifilare | La tabella delle baie è incompleta | Completare la tabella dei carichi e la decisione sulla topologia ad anello/radiale |
| Integrazione del relè di protezione non chiara | Verificare l'architettura di automazione e lo schema di controllo | L'interfaccia del relè non è definita | Confermare lo schema del relè IEC 61850, cablato o specifico del progetto |
| Si applicano restrizioni sui materiali isolanti | Verificare i requisiti di progetto e locali applicabili | La preferenza normativa o del proprietario non è confermata | Verificare i requisiti e valutare le alternative costruttive consentite |
Le apparecchiature di media tensione coprono generalmente tensioni da 1 kV a 52 kV, con le classi di distribuzione più comuni a 12 kV e 40.5 kV. I limiti precisi variano in base alle prassi di rete regionali e alle definizioni delle aziende di servizi pubblici. Le apparecchiature di trasmissione ad alta tensione iniziano al di sopra dei 52 kV e seguono standard di progettazione e collaudo differenti. Le apparecchiature di bassa tensione, al di sotto di 1 kV, utilizzano approcci diversi per il coordinamento dell'isolamento e la gestione dei guasti da arco elettrico e sono classificate separatamente in una propria serie di norme IEC.
La norma IEC 62271-200 distingue i quadri elettrici con involucro metallico da quelli con involucro metallico in base al grado di compartimentazione metallica. I quadri con involucro metallico forniscono barriere metalliche messe a terra tra tutti i principali compartimenti primari (sbarre, interruttori e cavi) in modo che un arco interno in una zona non possa propagarsi direttamente a un compartimento adiacente. I quadri con involucro metallico forniscono un involucro metallico esterno continuo, ma non necessariamente barriere tra i compartimenti primari. La classificazione influisce sulla categoria di conseguenze del guasto da arco e sulle regole di accessibilità per ciascun compartimento durante il funzionamento.
Alcuni modelli di RMU e GIS sono certificati per l'installazione all'esterno, con gradi di protezione IP appropriati e finiture resistenti alla corrosione. I modelli per interni con involucro metallico, come il KYN28, richiedono una cabina di distribuzione protetta dagli agenti atmosferici. L'ambiente di installazione (intervallo di temperatura, umidità, altitudine, zona sismica e livello di inquinamento) deve essere specificato nelle specifiche di progetto, in modo da poter confermare la corretta classe di protezione e il coordinamento dell'isolamento per quello specifico sito.
In un quadro elettrico estraibile, l'interruttore è montato su un carrello che si sposta tra una posizione di servizio, una posizione di prova e una posizione completamente estratta, mentre le linee di alimentazione adiacenti rimangono alimentate. Ciò consente la manutenzione o la sostituzione dell'interruttore senza interrompere l'erogazione di corrente nella sezione. Un interruttore fisso è imbullonato in posizione; isolarlo per la manutenzione richiede la disattivazione della sezione di sbarre collettrici corrispondente. La scelta tra le due soluzioni influisce sulla filosofia di gestione delle interruzioni, sulla programmazione della manutenzione, sulla profondità complessiva del quadro e sul costo unitario.
Una specifica completa richiede: tensione nominale e livello di isolamento, livello di guasto confermato (corrente di picco e corrente di interruzione simmetrica), corrente nominale continua per linea di alimentazione, numero e tipo di baie di alimentazione, schema di protezione e controllo, inclusi tipo di relè e protocollo di comunicazione, dati sull'ambiente di installazione (interno o esterno, altitudine, temperatura ambiente, categoria di inquinamento), norme applicabili, inclusi eventuali requisiti di classificazione dell'arco interno, ed eventuali restrizioni relative a gas fluorurati o mezzi isolanti. Dati incompleti comportano specifiche insufficienti o eccessive per le apparecchiature. L'elenco dei dati richiesti nella richiesta di offerta riportato di seguito riassume il set minimo di dati.
Fornire informazioni tecniche complete al momento della richiesta di preventivo riduce i cicli di revisione ed evita la necessità di ridefinire le specifiche delle apparecchiature dopo l'ordine.
Dati di sistema
– Tensione nominale di sistema (kV) e classe di tensione nominale secondo IEC 62271-200
– Frequenza di sistema (Hz)
– Disposizione della messa a terra (messa a terra rigida, messa a terra resistiva o neutro isolato)
– Corrente di cortocircuito simmetrica trifase confermata (kA rms) e corrente di picco (kA)
– Durata del guasto per la classificazione termica (secondi)
Dati relativi all'armadio e all'alimentatore
– Numero di baie di alimentazione in entrata, di collegamento bus e in uscita
– Corrente nominale continua per linea (A)
– Tipo di cavo, tensione nominale e numero di conduttori per linea di alimentazione
– Corrente continua nominale della sbarra collettiva (A)
– Preferenza tra interruttore estraibile o fisso, con relativa giustificazione
Protezione e controllo
– Requisiti funzionali del relè di protezione (sovracorrente, differenziale, distanza o schema specifico del progetto)
– Protocollo di comunicazione (IEC 61850 Edizione 1 o 2, Modbus, DNP3 o cablato)
– Requisiti per l'indicazione remota e l'interfaccia SCADA
– Classe di precisione di misurazione (misurazione dell'energia, tariffa o sola indicazione)
Installazione e ambiente
– Installazione interna o esterna; in caso di installazione interna, dimensioni della planimetria della sottostazione e tipo di ventilazione.
– Altitudine sul livello del mare (m)
– Temperatura ambiente massima e minima (°C)
– Livello di umidità e categoria di inquinamento secondo la norma IEC 60721
– Zona sismica o spettro di risposta richiesto, se applicabile
Progetto e regolamentazione
– Norme nazionali o regionali applicabili in aggiunta alle norme IEC
– Requisiti di classificazione dell'arco interno e categoria di accessibilità secondo la norma IEC 62271-200
– Normative applicabili in materia di gas fluorurati e preferenza per il mezzo isolante (SF₆, miscela di fluoronitrile, isolamento solido o vuoto/aria)
– Durata di vita utile prevista e intervalli di manutenzione previsti
– Vincoli dimensionali (altezza massima del mobile, profondità massima o lunghezza totale della fila)
