Cabina primaria

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La cabina primaria (CP) o cabina di alta tensione (CAT) è un impianto elettrico che ha la funzione di trasformare l'energia in ingresso ad alta tensione (solitamente 120kV, 132kV o 150kV, raramente anche 60kV o 220kV) in energia a media tensione (8.4, 10, 15 o 20 kV[1] in base alla zona geografica da alimentare). In Italia sono presenti circa 2000 cabine primarie.

Struttura[modifica | modifica sorgente]

Esempio di schema unifilare di Cabina Primaria, con la descrizione dei principali elementi.

La struttura di una cabina primaria è la seguente:

  • linea elettrica ad alta tensione (AT) in ingresso (preferibilmente almeno due per cabina);
  • trasformatore di tensione (TV);
  • sezionatori di linea AT;
  • trasformatore di corrente (TA);
  • interruttori di linea AT;
  • sezionatori di sbarre AT;
  • sbarre AT di cabina primaria;
  • sezionatori di interruttore AT del trasformatore;
  • interruttori AT del trasformatore;
  • trasformatore di corrente (TA) AT;
  • scaricatori;
  • trasformatore AT/MT (preferibilmente almeno due per cabina);
  • trasformatore di corrente (TA) MT del trasformatore, lato MT;
  • interruttore MT del trasformatore;
  • sbarre MT di cabina primaria;
  • interruttori delle linee a media tensione;
  • trasformatore di corrente (TA) delle linee MT.

Parte di alta tensione[modifica | modifica sorgente]

La linea ad alta tensione arriva nelle cabine primarie venendo derivata da un traliccio e incontra i cosiddetti TV, piccoli trasformatori voltmetrici di tipo capacitivo (raramente anche di tipo induttivo); la loro funzione è quella di diminuire la tensione per poterla poi misurare: non esistono infatti strumenti di misura in grado di leggere direttamente un simile valore di tensione.

In molte cabine primarie inoltre è presente una bobina di disaccoppiamento (anche chiamata bobina di sbarramento) utilizzata per separare la tensione di rete dai segnali ad alta frequenza utilizzati, di norma, per effettuare telecontrolli e telemanovre e veicolati attraverso le linee AT, circuitalmente a valle dei TV ma fisicamente montata sopra ad essi; in questo caso il TV funge anche da derivatore capacitivo dell'alta frequenza per poi inviarla ai dispositivi di trasmissione/ricezione ad Onde convogliate.

Dopo i TV, la linea AT incontra i sezionatori, che possono aprire visivamente la linea per far notare il fuori servizio: tali dispositivi possono essere manovrati solo in assenza di corrente, con l'interruttore a valle già aperto. Di seguito sono presenti i TA (trasformatori amperometrici), che hanno il compito di diminuire la corrente di linea per poterla misurare: tale misura è utilizzata per i circuiti di protezione e per la rilevazione del carico nella linea.

La linea quindi trova gli interruttori, la cui funzione è di interrompere il circuito più velocemente possibile, in caso di necessità, per evitare la formazione di archi elettrici. Gli interruttori di alta tensione, come isolamento, possono utilizzare l’olio o un gas chiamato SF6 - esafluoruro di zolfo (più recente, ha bisogno di meno manutenzione ed è più efficace).

Trasformatori[modifica | modifica sorgente]

La linea si trasferisce, attraverso un altro sezionatore, alle cosiddette sbarre di alta tensione: nella cabina primaria possono essere presenti più semisbarre ad alta tensione, eventualmente collegabili tra di loro attraverso sezionatori (e, raramente, interruttori/congiuntori AT); dalle sbarre vengono derivate le tre fasi per l’entrata nel trasformatore, attraversando prima dei sezionatori, quindi degli interruttori e dei TA analoghi a quelli usati per le linee AT e infine per gli scaricatori, che limitano le sovratensioni in ingresso causate da fulmini.

Il trasformatore quindi abbassa la tensione ai valori della rete MT (da 20kV a 8.4kV). Nonostante l'elevata efficienza di trasformazione, le perdite interne provocano un riscaldamento del trasformatore; per raffreddarlo, il nucleo elettromagnetico del trasformatore è immerso in olio isolante e la cassa che lo contiene chiusa ermeticamente dall’esterno; l’olio circola esternamente attraverso dei radiatori e viene raffreddato, eventualmente ricorrendo anche all’uso di ventole e/o pompe di circolazione nei trasformatori di elevata potenza. Le variazioni di temperatura modificano il volume dell'olio e per permettergli di espandersi è presente, sopra al trasformatore, un serbatoio di espansione, normalmente chiamato conservatore, che può ricevere o rilasciare olio in base alle necessità.

Visto il costo elevato solitamente si usano due trasformatori di potenza compresa tra 16 e 63 MVA dotati di una certa capacità di sovraccarico temporaneo. In base alla norma, il sovraccarico può arrivare al 150% se di lunga durata od al 180% se di breve durata.[2]

Ogni trasformatore ha poi un regolatore di tensione (denominato VSC, Variatore Sotto Carico) che permette di elevare o abbassare la tensione di uscita (+/- 10%) per poterla adattare al variare dei carichi nell'arco del tempo; normalmente il VSC è comandato da un dispositivo automatico (RAT, Regolatore Automatico di Tensione) che permette di mantenere la tensione MT costante al variare del carico assorbito dalla rete e della tensione lato AT.[3]

Parte di media tensione[modifica | modifica sorgente]

In uscita dai trasformatori si trova la sezione a media tensione (MT). Nelle cabine primarie più vecchie questa parte è esterna, mentre in quelle più recenti trasformatori di tensione, sezionatori, trasformatori di corrente, interruttori e sbarre di media tensione sono situati all’interno di una costruzione.

I trasformatori presenti nelle cabine alimentano ognuno una propria sbarra MT separata. In caso di guasto di un trasformatore la sbarra viene rialimentata attraverso un congiuntore dagli altri trasformatori rimasti in servizio. Nei casi estremi (rottura contemporanea di due trasformatori oppure superamento della massima potenza erogabile) la sbarra viene rialimentata, nei limiti del possibile, dalle cabine primare vicine.

Da ogni sbarra MT sono derivate diverse linee MT protette da sezionatori e interruttori di funzionamento analogo a quelli AT. Inoltre, in ogni sbarra MT è presente un TV per la misura della tensione ed un TA per ogni linea per la misura della corrente.

Nelle cabine, cosiddette "a giorno" è presente a volte anche un traspositore o traslatore, che si utilizza in luogo di una o due coppie sezionatore-interruttore in caso di fuori servizio (per manutenzione o per guasto) di quest'ultimi. Invece nelle cabine di ultima generazione o "segregate" la coppia sezionatore-interruttore è estraibile, è montata cioè in un carrello, e per eseguire manutenzioni o riparazioni viene letteralmente sostituita con un altro carrello tenuto di scorta.

Nelle cabine primarie possono essere presenti anche dei gruppi di rifasamento, che sono formati da schiere di condensatori che vengono utilizzati per ridurre la componente induttiva della corrente di linea: infatti i motori elettrici e i trasformatori inseriti nei dispositivi elettrici creano componenti induttive.

In Italia si sta installando nelle cabine primarie un dispositivo chiamato bobina di Petersen, il cui scopo è quello di limitare le correnti di guasto tra fase e terra. Per garantire il servizio di erogazione dell'energia elettrica, e ridurre il numero di blackout, il neutro MT dei trasformatori AT/MT viene collegato a terra tramite un’impedenza, avente il compito di limitare le correnti di guasto causate dalla componente capacitiva delle linee elettriche, correnti che possono raggiungere valori anche di centinaia di ampere, nel caso in cui una fase vada a contatto con la terra. La bobina di Petersen, quindi, compensando la componente capacitiva della rete elettrica MT, riduce le correnti di guasto e permette all'arco elettrico formatosi nel punto di guasto di autoestinguersi più rapidamente, prima che la protezione della linea stessa intervenga aprendo l'interruttore, permettendo di continuare l'erogazione dell'energia elettrica verso l'utenza.

Parte di bassa tensione[modifica | modifica sorgente]

In ogni cabina primaria è presente una particolare linea MT denominata "SERVIZI AUSILIARI" che alimenta un trasformatore MT/BT, posto all'interno della cabina stessa, utilizzato per alimentare tutti quei componenti che funzionano in bassa tensione, come ad esempio: quadro di bassa tensione (luci interne ed esterne, cancelli automatici, sistema di videosorveglianza, ecc), protezioni, caricabatterie, motori degli interruttori, apparati di telecontrollo e telemanovra, condizionatori, ecc.

Protezioni[modifica | modifica sorgente]

Per evitare danni ingenti creati dalle elevate tensioni e correnti che si formano in caso di guasto, nelle cabine sono installate apparecchiature atte a limitare il perdurare dei guasti, facendo aprire il relativo interruttore, che controllano costantemente lo stato di tutte le parti elettriche essenziali della cabina. Si classificano in Protezioni AT, Protezioni Trasformatore e Protezioni MT e tutte sono tarate secondo precisi valori e ritardi in modo che il mancato intervento di una di esse facca scattare la protezione a monte[4] salvaguardando nel miglior modo possibile l'intero sistema.

Protezioni AT[modifica | modifica sorgente]

Le protezioni AT hanno il compito di proteggere le linee AT affluenti alla cabina dalle sovracorrenti che si creano in caso di guasto a terra o cortocircuito. Sono formate da protezioni distanziometriche e dagli interruttori AT: la protezione, essendo in grado di determinare con buona approssimazione la distanza del punto guasto, può intervenire anche in caso di un guasto sulle cabine primarie limitrofe ad essa elettricamente collegate; nel caso di linee AT prevalentemente in cavo (formate da conduttori isolati e interrati) è presente una ulteriore protezione denominata Differenziale Cavo che permette di rilevare guasti dovuti al danneggiamento del cavo più rapidamente della protezione distanziometrica.

Protezioni Trasformatore[modifica | modifica sorgente]

Le Protezioni Trasformatore hanno il compito di proteggere l'elemento elettrico più costoso dell'intera cabina, il trasformatore AT/MT; ecco un elenco delle principali protezioni asserive ad un trasformatore AT/MT.

  • Gli scaricatori: elementi in ossido di zinco che presentano una resistenza variabile indirettamente proporzionale al valore della tensione (più è alta la tensione più è bassa la resistenza), che hanno il compito di limitare le sovratensioni sulla sezione AT del trasformatore dovute principalmente ad eventi atmosferici come i fulmini.
  • La protezione Buchholz: il suo compito è rilevare la formazione anomala di gas all'interno del trasformatore, formazione dovuta a scariche elettriche tra gli avvolgimenti e indicazione di un guasto all'interno del trasformatore stesso.
  • Minimo livello olio: dispositivo che emette un allarme in caso di abbassamento, sotto i limiti consentiti, del livello dell'olio contenuto nel trasformatore.
  • Relè di massima temperatura: termostato a più soglie utilizzato per emettere una segnalazione di allarme (massima temperatura di 1º livello) o di determinare la completa disalimentazione del trasformatore stesso (massima temperatura di 2º livello) al raggiungimento di determinati valori della temperatura dell'olio isolante.
  • Le protezioni di massima corrente: intervengono in caso sia rilevata un'eccessiva corrente all'ingresso AT, dovuta ad un cortocircuito delle spire interne oppure sull'uscita MT; si dividino in protezioni di massima corrente istantanea (per valori di corrente AT o MT elevatissime dell'ordine dei kA) o massima corrente ritardata (valori di corrente che eccedano la corrente nominale del trasformatore).

Protezioni MT[modifica | modifica sorgente]

Le Protezioni MT hanno il compito di proteggere le linee MT uscenti della cabina.

  • Protezioni di sbarra: intervengono solo nel caso di malfuzionamento delle protezioni di linea disalimentando l'intera sbarra MT aprendo gli interruttori del trasformatore.
  • Protezioni di linea: sono formate da due tipologie di protezioni, quelle per direzionale di terra, le quali rilevano i contatti dei conduttori con elementi esterni alla rete elettrica (alberi, oggetti esterni), e quelle per massima corrente, utilizzate per rilevare cortocircuiti e sovraccarichi, oltre che all'interruttore.

Automatismi e Telecontrollo[modifica | modifica sorgente]

Questi dispositivi vengono anche utilizzati per effettuare delle manovre di apertura/chiusura degli interruttori tramite il telecontrollo. Se per esempio un operatore deve effettuare delle prove di manutenzione degli interruttori, deve prima contattare il Centro operativo che gli aprirà o chiuderà gli interruttori a seconda della necessità. Ogni manovra in cabina primaria quindi deve essere segnalata.

In ogni cabina è presente quindi il cosiddetto telecomando, responsabile del collegamento (ricezione/invio delle informazioni) con il centro operativo.

Le protezioni e il telecomando devono essere alimentate in corrente continua: la mancanza di energia elettrica, dovuta ad esempio all'apertura degli interruttori di linea AT per un fulmine, porterebbe alla disalimentazione anche dei servizi ausiliari. Per questo vengono usati nelle cabine dei raddrizzatori, che trasformano la corrente alternata in bassa tensione in corrente continua. Per assicurare l’efficienza dei servizi anche senza alimentazione dalla rete elettrica vengono utilizzate delle batterie, tenute costantemente sotto carica proprio dal raddrizzatore, che entrano in funzione in caso di emergenza. Le batterie tradizionali sono del tipo al piombo, mentre le più recenti in gel (che comportano costi minori e minore manutenzione); le protezioni e i motori degli interruttori sono alimentati a 110V, il telecomando e i sistemi di comunicazione a 24V.

Prima dell'avvento dell'automazione, le cabine primarie erano custodite 24 ore su 24 da uno o più operatori; oggi gli unici interventi umani sono di manutenzione (che deve essere fatta con regolarità) o di riparazione.

La media tensione in uscita sarà portata alle cabine di media tensione, nelle quali sarà trasformata a sua volta in bassa tensione (400/230V).

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ In Italia il valore uniformato standard di media tensione è 20kV, infatti tutte le apparecchiature, cavi, ecc di nuova installazione (costruiti dal 1/1/1990 in poi) devono poter essere eserciti alla tensione standard +20% (24kV) indipendentemente dalla loro reale tensione di esercizio (DK5310 http://www.enel.it/distribuzione/enel_distribuzione/supporto/doc/dk5310.pdf). In ogni caso il valore di esercizio è molto legato alla zona geografica in cui è costruito l'impianto, in particolare nel nord Italia dove è minore la lunghezza delle linee MT la tensione di esercizio è 15 kV mentre nel sud Italia si utilizza una tensione di esercizio di 20 kV poiché le zone sono meno popolate e le linee MT sono più lunghe. In rari casi tensioni d'esercizio più basse sono utilizzate nelle città. Tale disuguaglianza deriva da scelte effettuate negli anni 50-60 in cui le tensioni erano di 7.5 kV per il nord italia e 10 kV per il sud italia, poi, con il passare degli anni, sono state soltanto raddoppiate modificando gli avvolgimenti dei trasformatori AT. Diversamente la tensione minori o uguali a 10kV sono state lasciate soltanto per la presenza di un impianto molto vecchio che sarebbe antieconomico sostituire (si pensi ad esempio l'apertura prolungata di scavi per la sostituzione di tutti i cavi presenti nei centri di città grandi o con elevato impatto storico/artistico)
  2. ^ NORMA CEI 14-15:2006. "Trasformatori di potenza. Parte 7: Guida di carico per trasformatori immersi in olio", tab.4
  3. ^ J. Machowski, J.W. Bialek e J.R. Bumby, Power System Dynamics: Stability and Control, 2ª ed., Wiley, 2008, ISBN 978-0-470-72558-0.
  4. ^ In caso di mancato intervento delle protezioni MT, con un certo ritardo, intervengono le protezioni del trasformatore; nel caso non intervengano le protezioni del trasformatore intervengono le protezioni delle linee AT; nel caso che anche queste non intervengano c'è la disalimentazione completa della cabina ad opera delle protezioni delle linee AT delle cabine limitrofe: in pratica le protezioni gerarchicamente superiori fungono da rincalzo per le protezioni di livello più basso

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

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