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1.QMT.Q2a-Materiali polimerici per involucri di quadri MT 24KV: modello; Materiali e tecnologia di realizzazione dei pannelli.

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1.QMT.Q2a-Materiali polimerici per involucri di quadri MT 24KV: modello; Materiali e tecnologia di realizzazione dei pannelli.

Il presente lavoro si colloca all’interno del progetto MATEALT, WP QMT, milestone Q2. Scopo dell’attività della milestone è la realizzazione di prototipi di un quadro MT 24 kV con involucro isolante, da sottoporre a prove elettriche. L’attività avrebbe dovuto terminare a fine giugno 2005. Le difficoltà incontrate nel reperimento delle caratteristiche chimico fisiche e nella reale disponibilità sul mercato di materiale riciclato, e soprattutto la rinuncia da parte di un costruttore di quadri MT, che si era impegnato inizialmente a fornire supporto tecnico e a realizzare un’apparecchiatura montando i pannelli plastici, non ci ha permesso di raggiungere l’obiettivo nei tempi previsti. Pertanto si è ritenuta necessaria la stesura di un rapporto intermedio, che illustrasse l’attività svolta ed i significativi risultati a cui si è pervenuti. Le problematiche connesse alle apparecchiature elettriche di grandi dimensioni, richiedono materiali con caratteristiche meccaniche, di autoestingenza e di resistenza alla traccia assai più elevate di quelle dei materiali ottenuti dal riciclo urbano ed industriale. Pertanto per la realizzazione di un prototipo in grado di affrontare tutte le prove previste dalle vigente normativa, con particolare riguardo a quella d’arco interno, si è ritenuto necessario l’ausilio di un esperto sia del mondo dei polimeri che delle problematiche connesse al loro uso nel settore elettrico. Con il consulente è stata effettuata una più approfondita analisi dei risultati delle prove d’arco interno effettuate in precedenza e delle implicazioni legate al raggiungimento dell’obiettivo del WP-QMT, che richiede il massimo uso di materiale riciclato per la realizzazione dell’involucro del quadro. Si è aperta quindi una fase di studio e di ampia discussione coinvolgendo anche un esperto di apparecchiature di manovra ed interruzione. Temi toccati: analisi di normativa e metodologie di prova, elenco dei requisiti della materia prima per l’involucro, indagine più puntuale per la ricerca di fornitori di materia prima, sia vergine che riciclata. L’attività, riconoscendo come la scelta di un polimero per applicazioni elettriche, non sia cosa agevole da risolversi poiché quasi mai il materiale ha in sé tutti i requisiti richiesti, ha portato alla decisione di scindere la funzione puramente elettrica da quella meccanica-strutturale, ossia di applicare la logica della “local quality”: qualità specifica per la funzione di interesse. Così si è pensato a prodotti quali: PC con trattamento superficiale di Silicone reticolato, lastra sottile di PE reticolato a protezione di un materiale di supporto non resistente all’arco, PP o PE rinforzati con fibra di vetro ed additivi autoestinguenti o verniciatura intumescente, PET con film superficiale di PMMA. Inoltre è sembrato più opportuno produrre un quadro “artigianale” che rispondesse alle problematiche meccaniche ed elettriche, lasciando ad una successiva fase la valutazione dei costi e della fattibilità di manufatti “ingegnerizzati” ottenuti per mezzo di tecnologie mirate alla maggiore produttività. Ciò significa un quadro con struttura o telaio metallico rivestito con lastre o pannelli di materiale plastico. E’ emersa anche l’esigenza di disporre di un simulacro del vano sbarre di un quadro MT, in cui fosse agevole sostituire le pareti con pannelli stratificati polimerici e che, attraverso prove di corto circuito,

permettesse di misurare: energia dell’arco, massima deformazione dei pannelli e temperatura raggiunta dal materiale. Questo per poter realizzare un modello attendibile con cui simulare il fenomeno d’arco e progettare i pannelli. Il sondaggio del mercato dei produttori di semilavorati (lastre) in materiale riciclato ha permesso solo l’identificazione di due aziende produttrici di PP e PE riciclati in lastra, con peso molecolare ed indice di fluidità simile a quelli ottenibili da granulo vergine per soffiaggio ed estrusione. Una di queste ha fornito gratuitamente una campionatura della propria produzione di lastre da 5 mm in HDPE, mentre all’altra sono state richieste lastre in PP da materiale vergine, con cui sono stati realizzati due dispositivi o simulacri con le stesse dimensioni del vano sbarre di un quadro MT, sottoposti a prova d’arco interno. Nella prima prova la struttura non ha retto all’impatto e quasi immediatamente con la generazione dell’arco le pareti laterali e quella di copertura superiore sono state divelte. La seconda prova è stata fatta dimezzando la corrente in modo da permettere al simulacro di reggere meglio l’onda d’urto generata dall’arco elettrico. In entrambe le prove, nonostante le deformazioni subite, i pannelli polimerici hanno mostrato una buona resistenza meccanica, nessuna combustione ed i fenomeni di tracking in superficie sono stati estremamente ridotti. Non vi sono state inoltre perforazioni da parte di materiale incandescente nonostante la struttura non fosse a sandwich con interposta la rete metallica come nelle prove precedenti. Con l’ausilio delle immagini fotografiche e delle grandezze misurate durante e a fine prova, e con le caratteristiche dei materiali presenti, GAMBIT, un centro specializzato in calcoli strutturali applicati alle tecnologie dei polimeri, ha potuto riprodurre a CAD i simulacri e le condizioni al contorno nella fase d’arco. Le deformazioni ottenute sono le stesse riscontrate in scala reale, dimostrando la validità del modello teorico e la possibilità della sua applicazione ad un quadro MT 24 kV in scala reale per mettere a punto un primo prototipo. Le sollecitazioni meccaniche reali e simulate hanno anche indicato la necessità di progettare pannelli a spessore non uniforme ed uno schema di montaggio più appropriato. Da un’ampia ricerca di mercato, è stato identificato un materiale termoplastico, potenzialmentee idoneo a sostenere gli effetti dell’arco. Il prodotto, commercializzato sotto la sigla Borealis FD908T, consiste in un Polipropilene ad elevate caratteristiche chimico fisiche, reso autoestinguente di classe V0 attraverso un additivo “halogen-free”, che non dà luogo a fumi tossici o corrosivi in caso di combustione e che poteva costituire il rivestimento esterno di un cuore in PP riciclato, con proprietà di gran lunga inferiori e con la sola funzione di supporto meccanico, secondo la logica di “local quality”. Questo ha portato alla scelta dello stampaggio per co-iniezione o iniezione Bi-Materiale quale tecnologia di trasformazione: contemporaneamente ed in modo programmato, si iniettano in uno stampo, attraverso lo stesso ugello di iniezione, un materiale compatto di elevata qualità all’esterno ed uno espanso o riciclato di basso costo all’interno con funzione strutturale. E’ stata poi contattata la ditta Elettromeccanica Adriatica di Ascoli Piceno, costruttore di quadri MT, per realizzare ex novo un eventuale telaio metallico o modificare opportunamente l’involucro di sua produzione, a cui fissare oltre ai componenti del quadro, pannelli di materiale isolante. L’azienda ha inviato a GAMBIT il disegno costruttivo 3D del proprio quadro ad isolamento misto, con il quale è stato possibile simulare gli

effetti d’arco su un modello in scala reale dell’apparecchiatura, andando a sostituire il più estesamente possibile il metallo con la plastica. E’ stato quindi progettato un pannello rettangolare, con dimensioni di 850 mm x 430 mm ed una distribuzione degli spessori variabile fra 6 e 15 mm, su cui GAMBIT ha effettuato un’analisi fluidodinamica del pannello, in stretta collaborazione con la ditta MASPI, che realizzerà lo stampo e provvederà allo stampaggio per co-iniezione dei pannelli, in modo da favorire un avanzamento del fronte di flusso bilanciato rispetto all’intero perimetro e garantire un rapporto ottimale tra materiale di pelle e materiale interno riciclato. Dopo aver sottoposto al costruttore lo schema di taglio della lamiera dell’involucro e del posizionamento dei pannelli ed una soluzione per il loro montaggio, GAMBIT ha quindi completato il progetto del pannello eseguendone l’analisi strutturale, estesa poi all’intero quadro per verificarne la resistenza meccanica in caso di arco interno. Dopo 12 ms si ottiene il massimo spostamento di ∼ 9 cm, che viene raggiunto nelle zone del quadro dove sono presenti 3 pannelli affiancati, con snervamento dell’acciaio di contorno e della plastica esclusivamente nelle zone di contatto con alcune viti senza che si abbia comunque rottura dei due materiali.. Sono in corso studi per irrobustire la zona attorno al pannello centrale.

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