Quadri Elettrici di Media Tensione: Componenti, Funzionamento e Protezione

1. Componenti dei Quadri Elettrici (Switchgear)

Si definiscono "quadri elettrici" tutti i dispositivi, materiali o strumenti utilizzati per controllare un sistema elettrico. Il quadro elettrico, che può essere installato all'interno o all'esterno, svolge le seguenti funzioni:

• Manovra del circuito.
• Trasformazione di energia.
• Protezione di persone e beni.

Per raggiungere questi obiettivi, il locale in cui si trova il quadro elettrico necessita di servizi aggiuntivi come:

• Impianto di messa a terra.
• Impianto antincendio.
• Ventilazione.
• Impianto di illuminazione.

Gli elementi principali di un quadro elettrico di media tensione sono:

• Isolanti: Componenti in materiale isolante utilizzati per sostenere o contenere i conduttori e il quadro elettrico. Nei quadri elettrici per interni di media tensione, i materiali più utilizzati per gli isolanti sono la steatite e la resina epossidica, grazie alla loro elevata resistenza alle sollecitazioni meccaniche che si verificano durante le operazioni di apertura e chiusura del quadro.

• Sbarre: Costituite da barre di rame, il cui dimensionamento si effettua in base alla corrente nominale. La densità di corrente (d) è data dal rapporto tra la corrente (I) e la sezione (S):

  d = I / S

  S = I / d (mm²)

  Tuttavia, è necessario considerare anche il calcolo meccanico, a causa delle forze elettrodinamiche che si generano nelle sbarre in condizioni di corto circuito, causando forze di flessione.

• Conduttori: L'ingresso al quadro elettrico avviene tramite conduttori isolati, in funzione della tensione di ingresso della linea, che si collegano ai terminali o connettori.

• Sezionatore: Dispositivo dotato di potere di interruzione per eseguire l'apertura e la chiusura del circuito sotto carico, ovvero può interrompere la corrente nominale della linea, ma non quella di corto circuito. Il potere di interruzione è determinato dal sistema di estinzione dell'arco, che permette di classificare i sezionatori in:

  • A corna d'arco.
  • A soffio magnetico.
  • In bagno d'olio (più comunemente denominati "a volume d'olio ridotto").
  • In SF6 (esafluoruro di zolfo), che offre le migliori prestazioni di interruzione.

  Oltre alle proprietà elettriche e alla tensione, è fondamentale conoscere il potere di interruzione e di chiusura di questi dispositivi.

  • Potere di interruzione: Valore di corrente che il dispositivo è in grado di interrompere sotto una determinata tensione e in specifiche condizioni di funzionamento. Viene espresso in kA o in MVA come potere di interruzione.
  • Potere di chiusura: Valore di corrente che il dispositivo è in grado di stabilire.

• Interruttore: L'interruttore è in grado di stabilire, mantenere e interrompere la corrente nominale di servizio e di interrompere automaticamente correnti anormalmente elevate, come la corrente di corto circuito. Viene utilizzato per proteggere impianti e trasformatori. Il funzionamento di questi dispositivi, oltre ad essere automatico e manuale, è comandato da bobine di relè di massima corrente o di minima tensione. Una delle caratteristiche più importanti è il suo potere di interruzione, che deve essere adeguato al punto di installazione in base al potere di corto circuito esistente.

• Sezionatore di terra: Interruttore utilizzato per la messa a terra di una parte di un circuito o di un impianto.

2. Dispositivi di Protezione

Sono dispositivi che rilevano anomalie nella linea, come sovraccarichi o cortocircuiti, dando l'ordine di sgancio all'interruttore. Si dividono in:

• Relè diretti: Eccitati dalla corrente di fase del trasformatore di alimentazione. Quando l'intensità supera il valore impostato, il relè provoca l'intervento del circuito ad esso associato.

• Relè indiretti: Eccitati da una corrente di bassa intensità, proporzionale alla corrente primaria del trasformatore di alimentazione, tramite trasformatori di corrente con rapporto di trasformazione In/5A.

Nei trasformatori, si utilizzano i seguenti dispositivi di protezione:

• Termometro: Per controllare la temperatura dell'olio dei trasformatori di media tensione (MT) si utilizzano termometri che segnalano eventuali anomalie che producono calore. Ne esistono due tipi:

  • Termometro a colonna: Utilizzato su trasformatori di potenza ridotta, è costituito da una fiala di vetro contenente alcool colorato di rosso, con una scala graduata per la lettura della temperatura.
  • Termometro a quadrante: Oltre a rilevare la temperatura diretta del trasformatore, è dotato di due contatti: uno per l'attivazione di un allarme al raggiungimento di una temperatura T1 e uno per la disconnessione del trasformatore al raggiungimento di una temperatura T2.

• Relè Buchholz: Rileva anomalie elettriche che possono interessare gli avvolgimenti dei trasformatori immersi in olio, con conseguente sviluppo di gas la cui composizione varia a seconda del tipo di problema. Il relè Buchholz è dotato di due livelli di intervento:

  • 1° livello: In caso di riscaldamento localizzato, contatto tra le spire o mancanza di fase, attiva un allarme.
  • 2° livello: In caso di corto circuito, rileva le onde di pressione generate dal getto di gas e provoca l'intervento dell'interruttore.

  Il relè Buchholz è installato nella tubazione che collega il trasformatore al conservatore, tra due valvole, e comprende spie per il controllo e la misurazione dei gas. Il primo livello di intervento è attivato da un galleggiante superiore: un riscaldamento localizzato provoca il rilascio di bolle di gas che si accumulano nella parte superiore del relè, provocando un abbassamento del livello dell'olio che fa muovere il galleggiante, attivando il contatto di allarme.