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Relazione Perotti 05-11-14 | trasformatori di potenza
GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA TRASFORMATORI DI POTENZA MT/BT COME SCEGLIERLI EFFICIENTI E SICURI LE NUOVE TECNOLOGIE DISPONIBILI Per. Ind. Paolo Perotti Milano 5 Novembre 2014 ©Paolo Perotti ®Liberamente copiabile citando la fonte GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA Oggi analizzeremo la macchina elettrica « trasformatore di potenza » dal punto di vista della efficienza energetica, della progettazione ecocompatibile e della sicurezza . Ci baseremo in primis su quanto viene stabilito dalla Commissione Europea con le sue direttive ed i suoi regolamenti, in cascata sulla legislazione nazionale, sulle peculiarità costruttive e prestazionali dei trasformatori di nuova generazione GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA Partiamo da alcune semplici domande • L’energia elettrica, ci costa troppo ? • La rete elettrica italiana è poco efficiente ? • Si possono ridurre i costi ? • Si può diminuire l’impatto ambientale ? LA RISPOSTA A TUTTE LE DOMANDE É SI ! GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA «c’era una volta» ovvero : breve viaggio nel passato LE CRISI PETROLIFERE ED IL PROGRESSO TECNOLOGICO, SOPRATTUTTO DAL 1999 CON L’AVVENTO DELLA LIBERALIZZAZIONE DELLA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA, HANNO PORTATO AD UN SIGNIFICATIVO MIGLIORAMENTO DELL’EFFICIENZA GLOBALE DEGLI IMPIANTI DI GENERAZIONE DI ENERGIA ELETTRICA GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA MA STORICAMENTE PURTROPPO NON SI È MAI BADATO ALL’EFFICIENZA DEI TRASFORMATORI E DELLE LINEE DI TRASPORTO E DISTRIBUZIONE ! ESISTENDO I MONOPOLI NATURALI DELLE RETI DI TRASMISSIONE (Terna) & DISTRIBUZIONE DELL’ENERGIA ELETTRICA (Enel Distribuzione, A2A, A.E.M, Acea, Hera, Asm, Set, Deval) GLI OPERATORI NON SONO STATI MAI STIMOLATI A RENDERE PIÙ EFFICIENTI I TRASFORMATORI DI LORO COMPETENZA GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA Come conseguenza all’utilizzatore finale vengono fatte pagare tutte queste INEFFICIENZE tramite un salato sovrapprezzo pagato in bolletta PUNTO DI CONSEGNA CONNESSO IN • AT (≤ 150 kV) + 1,8% • MT + 4,0% • BT +10,4% PERCENTUALE DI MAGGIORAZIONE SUL PREZZO (tasse escluse) DELL’ENERGIA Per maggiori info vedi delibera 559/2012/R/eel dell’Autorità dell’Energia GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA Come si esce da questa situazione ? Chi promuove i cambiamenti ? Con che strumenti ? Finalmente gli organi istituzionali hanno emesso i seguenti documenti : • Autorità dell’Energia con il «Testo Integrato sul Trasporto» vedi delibera ARG/elt 348/07ed S.M.I. • Comitato Elettrotecnico Italiano con le norme di prodotto CEI EN 50541-1 trasformatori in RESINA CEI EN 50464-1 trasformatori in LIQUIDO («olio») • Commissione Europea con il regolamento 548/2014 GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA L‘Autorità dell’Energia con l’articolo 11 del Testo Integrato Trasporto (delibera ARG/elt 348/07 ed S.M.I.) ha voluto mandare un forte segnale di cambiamento : «se il distributore impiega trasformatori con perdite non superiori a quanto prescritto dalle classi “Ak” e “Bo” della norma EN 50464-1 viene ricompensato con un premio economico per la durata di 8 anni» Questo premio viene erogato sia in caso di sostituzione che in caso di nuove istallazioni il REGOLATORE ha fatto il seguente ragionamento : NON POSSO OBBLIGARTI AD ESSERE PIÙ EFFICIENTE MA, SE LO DIVENTI TI PREMIO GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA Il CENELEC e di conseguenza il CEI, con l’emissione delle seguenti norme di prodotto per trasformatori CEI EN 50541-1 macchine in RESINA CEI EN 50464-1 macchine in LIQUIDO (ora in revisione) Si è preso atto che si possono produrre trasformatori molto più efficienti di quelli precedenti, pur mantenendo pesi e dimensioni compatibili con le passate. Per cui sono state definite nuove classi di perdite : • Ao Bo Co Do Eo 5 classi per le perdite a vuoto • Ak Bk Ck Dk 4 classi per le perdite a carico la macchina Ao Ak è con perdite più basse e minori consumi la macchina Do Dk ha perdite paragonabili alle vecchie macchine di classe ECOnomiche N.B. per ragioni costruttive, le perdite a vuoto nei trasformatori in resina sono sempre maggiori di quelle dei trasformatori in liquido GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA CASO PRATICO 1: I TRASFORMATORI DI DISTRIBUZIONE DI ENEL La delibera dell’AUTORITÀ ha fatto si che Enel nel 2008 decidesse di acquistare SOLO trasformatori MT/BT di nuovo tipo con livelli di perdite inferiori del 11% per quelle a carico e del 28% per quelle a vuoto. Si hanno avuto i seguenti risultati : • Le dimensioni ed i pesi delle nuove macchine non hanno implicato alcuna necessità di riconfigurare la cabina di trasformazione in quanto tutti i nuovi trasformatori sono ancora conformi alle prescrizioni dimensionali dei capitolati Enel • L'incremento di costo dei nuovi trasformatori non ha superato il 20% CASO PRATICO 2: TRASFORMATORE DA 630 kVA 15/0,4 kV Icc 6% CONFRONTANDO I VALORI DI PERDITE PREVISTE DELLE NORME PASSATE E DA QUELLE VIGENTI SI TROVIAMO I SEGUENTI MIGLIORAMENTI : GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA tipico trasformatore istallato perché costa poco ed è in pronta consegna trasformatore richiesto da un Progettista attento TRASFORMATORE TRIFASE 630 Kva 15/0,4 kV Δ/Y Uk 6% IN LIQUIDO PERDITE A VUOTO @25°C PERDITE A CARICO @75°C CEI 14/4‐8‐13 CEI 14/4‐8‐13 CEI 14/4‐8‐13 CEI 14/4‐8‐13 Perdite MAX DELTA Perdite MAX DELTA PERDITE PERDITE PERDITE standard CE 548/2014 ECO/15 CE 548/2021 ECO/21 RIDOTTE ECOnomico DISTRIBUZIONE NORMALI 1500 1300 1150 900 600 ‐53,8% 540 ‐58,5% 7700 6750 6500 5600 6500 ‐3,7% 4600 ‐31,9% 2100 1790 1600 1360 1100 ‐38,5% 990 ‐44,7% 7000 6970 6970 6500 6610 ‐5,2% 6200 ‐11,0% 8600 7800 7800 7480 7600 ‐2,6% 7100 ‐9,0% IN RESINA PERDITE A VUOTO @25°C PERDITE A CARICO @75°C PERDITE A CARICO @120°C GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA La Commissione Europea con il regolamento 548/2014, già entrato in vigore il 11/06/2014, ha stabilito che a livello europeo non sarà più possibile commercializzare trasformatori di potenza con bassa efficienza (SPRECONI) • Questo significa che i produttori non potranno né avere a catalogo, né promuovere la vendita, né commercializzare trasformatori “spreconi “. • Prima di questo Regolamento, non esistendo alcuna normativa cogente, venivano offerti sul mercato trasformatori molto economici, come costo di acquisto ma molto, anzi troppo, cari come costo di esercizio a causa delle perdite troppo elevate . • Storicamente era possibile produrre trasformatori a bassissime perdite, ma per risparmiare in acquisto, spesso venivano preferite macchine con perdite elevatissime ! GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA MA QUALI SONO I TRASFORMATORI COINVOLTI ? Quasi tutti ! Sono esclusi solamente i trasformatori : a) Con potenza inferiore ad 1000 VA b) Specificamente progettati per applicazioni : Offshore, Emergenza, Ferroviarie, Avviamento, Antideflagranti, Saldatrici & puntatrici, Forni, Raddrizzatori in bassa tensione, Alimentatori per strumenti di misura, Subacquee, Regolazione di tensione sotto carico, Alimentatori per laboratori e sale prova c) Progettati per essere usati con Frequenza ≠ da 50 Hz GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA Ma da quando ? DA SUBITO! I regolamenti Europei al contrario delle direttive (che si rivolgono agli stati) si «rivolgono» direttamente ai cittadini per cui il regolamento è già in vigore ! Sono previste 3 scadenze temporali • 1° Luglio 2015 • 11 Giugno 2017 • 1° Luglio 2021 GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA Col 1° Luglio 2015 diventano cogenti le seguenti modifiche alle norme di prodotto sui trasformatori: • Minori tolleranze sulla misura delle perdite • L’obbligo di dichiarare sulla targa della macchina: le perdite, la potenza assorbita dai sistemi di raffreddamento ed i materiali con cui sono realizzati gli avvolgimenti • Valori massimi di perdite a vuoto ed a carico per macchine con potenza superiore a 1 kVA . • Valori massimi di perdite per trasformatori destinati ad istallazione su palo con potenza ≥ 25 e ≤ 315 kVA . • Le «eccezioni» riguardanti le perdite per macchine con caratteristiche speciali come: Avvolgimenti o/e tensioni plurimi, Regolatori di tensione sotto carico, GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA Entro l’ 11 Giugno 2017 la Commissione Europea riesaminerà questo regolamento per adattarlo ai miglioramenti dei processi tecnologici : In particolare si analizzeranno i seguenti aspetti : • Opportunità di stabilire requisiti minimi di rendimento per trasformatori monofase e/o con potenza inferiore a 1000 VA • Opportunità di estendere l’uso del parametro «l’indice di efficienza di picco» anche in macchine con potenza inferiore a 3150 kVA • Opportunità di aggiornate la regolamentazione concernete i trasformatori su palo e con regolatori di tensione sotto carico GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA Comunque dal 1° Luglio 2021 diventeranno cogenti le seguenti ulteriori modifiche alle norme di prodotto già in vigore : • Una ulteriore riduzione (mediamente -10%) dei massimi valori delle perdite ammesse nei trasformatori in liquido e resina con potenza superiore a 1 kVA . • Una ulteriore riduzione (mediamente -10%) dei massimi valori delle perdite ammesse nei trasformatori in liquido e resina con potenza ≥ 25 e ≤ 315 kVA destinati ad essere istallati su palo GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA STATO DELL’ARTE : La migliore tecnologia attualmente disponibile sul mercato per i trasformatori con potenza compresa tra i 5 kVA ed i 40 MVA permette la costruzione di trasformatori con perdite inferiori di quelle previste dal regolamento 514/2014 UE: a) immersi in liquido: Ao –20 %, Ak –20 % b) del tipo a secco: Ao –20 %, Ak –20 % c) con nucleo amorfo: Ao –50 %, Ak –50 % PRECISAZIONE : la attuale produzione di acciaio amorfo per nuclei magnetici, non ha ancora raggiunto dimensioni tali da renderlo in Europa uno standard di mercato GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA MA COME SONO FATTI I NUOVI TRASFORMATORI ? LE TIPOLOGIE DISPONIBILI SONO LIQUIDO RESINA GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA In entrambe le tipologie costruttive il NUCLEO è molto simile; ma come si riducono le perdite ? Per limitare le perdite a vuoto e ridurre il rumore generato, si impiegano le seguenti tecnologie per i lamierini : 1. 2. 3. 4. 5. Molto sottili: si usano spessori compresi tra 0,2 e 0,35 mm A grani orientati ad altissima permeabilità ricotti tramite laser Isolati tramite un rivestimento di fosfati su base vetro spesso 3 μm Giunti a 45° sagomati con la tecnica «Step Lap» La forma della colonna a gradini consente di «occupare» tutta l’area all’interno del cartoccio • L’impiego di tutte queste tecnologie permette di DIMEZZARE le perdite a vuoto senza incrementare in modo significativo i pesi e le dimensioni • I costi , visto l’aumento dei volumi, stanno diminuendo molto rapidamente GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA PARTICOLARI COSTRUTTIVI GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA AVVOLGIMENTI : RAME O ALLUMINIO ? • Nei trasformatori inglobati in resina, soprattutto per l’avvolgimento MT, si usa l’allumino, che rispetto al rame ha un coefficiente di dilatazione termica molto vicino a quello della resina, diminuendo le tensioni meccaniche interne alla resina col variare della temperatura. • I nuovi nuclei a basse perdite lasciano più «spazio» per gli avvolgimenti per cui si può impiegare l’alluminio nonostante sia necessaria una maggior sezione (circa il 65% in più) per compensare la maggiore resistività rispetto al rame . • Un avvolgimento ( a parità di perdite ) in alluminio costa decisamente meno che uno in rame ed è soggetto a minori perdite per furti . GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA TRASFORMATORI A BAGNO D’OLIO : ERMETICO O CON CONSERVATORE ? • I trasformatori ermetici, tecnologia impiegata fino a macchine da 2-3 MVA, permettono risparmi sia all’acquisto (produrre il conservatore è comunque costoso) sia durante l’esercizio in quanto «l’olio» essendo isolato dall’ambiente esterno NON subisce contaminazioni e non richiede quasi manutenzione. • Sono stai sviluppati dei relè che integrano in un solo prodotto tutte le sicurezze disponendo di contatti elettrici per: • Sovrappressione : pressostato regolabile da 100 a 500 mbar • Perdite olio & formazione di gas : livellostato fino a 170 cm³ di gas • Temperatura : termostato a 2 soglie fino a 120° C • Termometro con indicatore di massima temperatura azzerabile • Punto alto di prelievo per gas • Sono state sviluppate delle valvole di sicurezza antiscoppio in grado di dissipare le sovrappressioni interne dovute a guasti catastrofici, convogliando il liquido ed i gas verso una area sicura GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA PARTICOLARI COSTRUTTIVI GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA CHE RISCHI COMPORTA LA PRESENZA DI OLIO ? Nei trasformatori ad bagno d’olio il PROGETTISTA deve valutare i rischi legati alla presenza del liquido dielettrico stesso : 1) Perdite limitate dovute a cause accidentali come errate manovre di valvole, errati smontaggi di parti filettate e fuoriuscite da accessori come strumenti, relè e valvole. Compensabile con tappi sulle valvole e sigillature su dadi e bulloni 2) Perdite massive dovute alla rottura del cassone o svuotamenti dovuti all’intervento della valvola di sicurezza antiscoppio Compensabile con l’adozione vasche di contenimento e convogliando lo scarico delle valvole antiscoppio, l’adozione di liquidi «biodegradabili» 3) Combustione del liquido dielettrico causata da sovratemperature o archi elettrici Compensabile tramite: il corretto intervento delle protezioni termiche, amperometriche e barometriche, l’adozione di vasche con sistema di estinzione e l’impiego di liquidi dielettrici con punto di infiammabilità molto elevato (esteri, siliconi, ..) GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA PARTICOLARI COSTRUTTIVI GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA Caso pratico 3 CONSULENZA PER LA «SOSTITUZIONE» DI UN TRASFORMATORE GENNAIO 2014 Potenza 630kVA 23/0,4 kV Icc 6 % anno 1999 L’impianto, alimentato in MT a 23 kV, è a servizio di un grande palazzo con uffici ed auditorium . I 2 trasformatori da 630 kVA funzionavano in parallelo nel periodo del condizionamento estivo; mentre è possibile energizzare solamente una macchina nei periodi invernali o in caso di guasti. Noi siamo stati interpellati in seguito al guasto accaduto ad una macchina come indicato dalla immagine . GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA SIMULAZIONE: apertura foglio di Excel GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA Link ad alcuni produttori di liquidi dielettrici (non olii minerali) per riempimento di trasformatori : • • • • • • • http://www.abb.com biotemp http://www.midel.com midel 7131, midel en http://www.fratelliparodi.it paryol electra 7426 http://www.cargill.com envirotemp FR3, envirotemp 200 http://www.elantas.com/beck becfluid 9902 http://www.clearcoproducts.com sto-50 http://www.dowcorning.com xiameter pmx-561 Non si vuole consigliare ne un prodotto, ne una tecnologia in particolare, ma indicarne l’esistenza: sarà il Progettista che valutate le condizioni d’uso, effettuerà la scelta in funzione delle specifiche esigenze d’impiego . GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA Ringrazio e cito le seguenti fonti , da cui ho tratto dati caratteristici, informazioni tecniche e foto : • • • • • • • • • • • • • • http://www.akhelec.com http://anienergia.anie.it http://www.comem.com http://www.professionisti.bticino.it http://www.automation2000.com http://www.brollosiet.com http://web.tiscali.it/LAGOR/menuhome.htm http://ntplindia.co.in http://www.midel.com http://www.schneider-electric.com http://www.autorita.energia.it/it/index.htm http://www.seatrasformatori.it http://www.fratelliparodi.it http://www.seamarconi.com GRUPPO ELETTROTECNICI / ELETTRONICI – 2014/2015 – ANNO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA GRAZIE PER L’ATTENZIONE DOMANDE, DUBBI CURIOSITÀ [email protected]
