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rapporti - Rapporto di Sintesi

Progetto “Materiali alternativi per componenti elettrici di trasmissione e distribuzione” – Attività 2005

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Progetto “Materiali alternativi per componenti elettrici di trasmissione e distribuzione” – Attività 2005

Il Progetto ha avuto come obiettivo il miglioramento dell’ecoprofilo di alcuni dei componenti più significativi della rete di trasmissione e distribuzione, favorendone di conseguenza l’inserimento e l’accettazione nel contesto urbano e naturale del paese in accordo con uno sviluppo sostenibile del sistema elettrico. Il progetto ha comportato lo studio e la sperimentazione di: • gas alternativo/i all’esafluoruro di zolfo (SF 6 ), per le applicazioni come mezzo dielettrico e come mezzo di interruzione dell’arco elettrico in componenti di alta e media tensione, ma con impatti ambientali ridotti, allo scopo di preparare il settore elettrico all’eventualità di una direttiva UE, che vieti l’uso di SF 6 in tempi assai prossimi; • oli a base di esteri per trasformatori, con caratteristiche di bassa tossicità, alto punto di infiammabilità ed elevata biodegradabilità, allo scopo di minimizzare l’inquinamento di suolo ed acque in caso di perdite o di danni alla cassa e per diminuire il rischio e la propagazione di incendio; • un trasformatore a nucleo amorfo avvolto, per verificarne il comportamento reale e le limitazioni d’uso a fronte di sollecitazioni a frequenze diverse (frequenza industriale più le armoniche) e compararlo con un trasformatore con nucleo a grani orientati. La comparazione è stata effettuata per verificare l’effettiva riduzione delle perdite a vuoto, avendo i materiali magnetici amorfi sezione minore e ciclo di isteresi più stretto; • polimeri riciclati e riciclabili che potrebbero rendersi idonei per la sostituzione totale o parziale degli involucri metallici di apparecchiature in media tensione 24 kV (quadri) per cabine secondarie MT/BT. Un’analisi del ciclo di vita (LCA) comparativa fra componente tradizionale e componente contenente il materiale oggetto di studio o fra materiali di diverso tipo con la medesima funzione, ha permesso a fine sperimentazione di valutare l’ecoprofilo in termini di impatti ambientali in alcune o tutte le fasi del ciclo di vita dei componenti o dei materiali. I risultati più significativi del progetto possono così riassumersi: Studio e sperimentazione di gas alternativi a SF 6 • Come gas alternativo all’esafluoruro di zolfo SF 6 negli interruttori dopo un’analisi dei gas presenti sul mercato è stata selezionata l’anidride carbonica CO 2 pura o in miscela con O 2 ed i gas nobili.

• E’ stato realizzato un dispositivo di prova con tenuta fino a 250 kV e per pressioni fino a 2MPa, per valutare con prove di breve durata il comportamento dielettrico di CO 2 e delle sue miscele in diverse configurazioni di campo elettrico al variare della distanza e della tipologia degli elettrodi. • E’ stata completata la caratterizzazione di CO 2 e delle sue miscele attraverso le prove dielettriche di breve durata relativamente a tensione di scarica a 50 Hz, tenuta ad impulso atmosferico, tenuta ad impulso di manovra, secondo la norma IEC 60071-1: la miscela CO 2 /O 2 ha mostrato prestazioni migliori della sola CO 2 , sia in campo elettrico uniforme che non uniforme, e la tenuta ad impulso atmosferico con polarità negativa è risultata la sollecitazione che determina la classe di isolamento delle apparecchiature in CO 2 . Si è inoltre verificato che a parità di tenuta dielettrica la pressione di esercizio di CO 2 deve essere ∼ 3.5 quella di SF 6. • E’ stata completata la caratterizzazione di CO 2 e di una miscela CO 2 (80%)/O 2 (20%) con prove di lunga durata per verificarne un eventuale degrado nel tempo: a questo scopo è stato realizzato un dispositivo di prova costituito di 6 camere di prova indipendenti, con difetti diversi per innescare scariche parziali nel range 80÷85 kV, connesse in parallelo ad un circuito di alimentazione a 50 Hz. Entrambi i gas non danno luogo a fenomeni corrosivi ed a prodotti tossici in quantità rilevabili e la diminuzione nel tempo della tensione di innesco delle scariche parziali sembra dovuta al degrado delle superfici degli elettrodi a seguito delle scariche disruptive. • Sono state effettuate con successo prove trifasi di cortocircuito a 12.5 kA, 25 kV secondo norma, su un interruttore commerciale con i poli riempiti in CO 2 (80%)/O 2 (20%) a pressione 10 bar assoluti, ottimizzando la velocità di apertura dei contati, la sezione del pistone di pompaggio, e quindi la portata del gas di soffio, e la forma dell’ugello. E’ stato anche superato il ciclo “O – 0.3 sec – CO – 3 min – CO” al livello di corrente I 100 con correnti simmetriche. • E’ stato messo a punto un sistema streak camera per la rivelazione di spettri di luce d’arco e di una telecamera ad alta per le riprese per lo studio del fenomeno d’arco in CO 2 (80%)/O 2 (20%). I risultati riguardano l’influenza di parametri geometrici sull’evoluzione dell’arco e sulle specie, l’individuazione tramite spettroscopia di elementi appartenenti al gas che ad elementi costituenti gli elettrodi e l’individuazione di un possibile metodo per la determinazione della temperatura dell’arco basato sul rapporto di due righe di C. SELEZIONE E CARATTERIZZAZIONE DI OLI A BASE DI ESTERI PER TRASFORMATORI • Sulla base di studi relativi alle proprietà d’isolamento richieste ed ad un’attenta ricerca di mercato sono stati selezionati ed acquistati un olio a base di esteri di sintesi di fabbricazione europea ed un olio a base di esteri naturali ottenuto negli USA e certificato dall’Agenzia per l’Ambiente EPA. Un olio minerale naftenico di alta qualità è stato individuato ed approvvigionato da usarsi come riferimento. Su questi oli sono state effettuate prove di biodegradabilità e di tipo chimico-fisico per accertarne l’idoneità all’uso e la compatibilità ambientale.

• Allo scopo di studiare l’invecchiamento accelerato del sistema-carta-olio con i tre diversi oli selezionati sono stati realizzati dei dispositivi monofasi (600 kVA, alimentazione 17.6A/230V) da alimentare a temperatura media di ∼140°C per un periodo che possa simulare una vita di esercizio di circa 30 anni qual è quella media di un trasformatore. • E’ stato messo a punto il software per il controllo e la regolazione della temperatura di ciascuna colonna durante il ciclo di invecchiamento ed a completamento del ciclo si è raggiunto un invecchiamento dell’isolamento carta-olio pari a quello che si avrebbe in un esercizio di ∼ 40 anni. • I cartogeni impregnati ed invecchiati in olio minerale presentano un degrado più accelerato rispetto a quelli impregnati ed invecchiati con gli altri oli nonostante questi ultimi abbiano un contenuto di umidità di ∼ 3 volte quello dell’olio minerale. Positivo è risultato il cambiamento di olio minerale con olio a base di esteri di sintesi e con olio a base di esteri naturali, poiché c’è stato un allungamento di vita dei cartogeni delle rispettive colonne. • Lo studio comparato degli ecoprofili, secondo metodologia LCA, in relazione alle fasi di produzione e di smaltimento degli oli, evidenzia come quest’ultima fase penalizzi i due oli a base di esteri poiché il loro riciclo non è a ciclo chiuso, ossia non vengono riutilizzati per la stessa funzione di partenza, mentre per l’olio minerale questo è possibile. Sperimentazione a frequenze diverse di un trasformatore a nucleo amorfo avvolto • Per il trasformatore a nucleo amorfo, da un’indagine di mercato è emerso come non sia disponibile materiale magnetico amorfo, sotto forma di lamierini, per la realizzazione di un nucleo con la tecnologia “stacked-core”. Pertanto per migliorare l’ecoprofilo dei trasformatori ci si è rivolti allo studio del comportamento di un trasformatore a nucleo amorfo avvolto (tecnologia prevalente in USA) a frequenze diverse che possono derivare dalle armoniche presenti in rete a fronte dell’alimentazione sia di carichi civili che di carichi industriali. • Il trasformatore a nucleo amorfo avvolto mostra perdite a vuoto a diversa frequenza e perdite in presenza di alimentazione ad elevato contenuto di armoniche pari a circa il 30% di quelle di un trasformatore a nucleo tradizionale di pari taglia, ma più elevati livelli di rumore, indotti dalla vibrazione dei lamierini del nucleo, che hanno spessore molto più sottile. • L’analisi LCA applicata al ciclo di vita dei due trasformatori individua nel trasformatore a nucleo amorfo avvolto la macchina più ecocompatibile, grazie alle perdite minori in esercizio, mentre è il più impattante per le fasi di produzione e trasporto. Sperimentazione di polimeri riciclati per la realizzazione di involucri di quadri 24kV • Attraverso l’analisi dei risultati di prove d’arco interno e del modello di un quadro MT è stato messo a punto un compound a base di Polipropilene omopolimero (sigla di riferimento PP DFR909) con buone caratteristiche meccaniche, autoestinguenza classe V0 a 1.6 mm e resistività superficiale

>10 11 Ω, con cui ottenere, tramite tecnologia ad iniezione Bi-materiale, i pannelli per la realizzazione di un involucro di quadro MT ad isolamento misto, scomparto linea. • Utilizzando l’indice di fluidità e le caratteristiche termomeccaniche risultate dalla caratterizzazione del compound, è stato progettato un pannello rettangolare, con dimensioni di 850 mm x 430 mm ed una distribuzione degli spessori variabile fra 6 e 15 mm e realizzato stampo e controstampo in acciaio. • Sono stati stampati 30 pannelli, utilizzando il 55% di polimero vergine PP DFR909 ed il 45% di PP da riciclo , proveniente da raccolta urbana e da sfridi industriali e realizzati 2 prototipi di quadro. • Un prototipo ha superato la prova d’arco mettendo in luce l’idoneità del materiale a resistere agli sforzi che si generano. L’altro ha superato tutte le prove dielettriche, termiche e meccaniche previste per valutare l’idoneità dell’involucro, ma non quella d’arco perché condotta ad una temperatura ambiente inferiore alla temperatura di transizione vetrosa Tg di ∼ 0°C del PP, che rende il materiale rigido e molto fragile. Per essere in grado di affrontare condizioni termiche di servizio più severe, sarà necessaria l’aggiunta al PP di un copolimero con temperatura di transizione Tg << 0°C ad esempio PE, che ha una transizione vetrosa ∼ -50°C. Divulgazione dei risultati • Presentazione dell’articolo “Research and Experimental Characterization of Alternative Materials to Reduce the Environmental Impact of Some Electrical Distribution Equipment” alla 18 th International Conference CIRED in Torino 6-9 giugno 2005. • Corso “Miglioramento della compatibilità ambientale di componenti elettrici” per la diffusione dei risultati di MATEALT, tenuto al CESI il 21 /12/2005, con la partecipazione di costruttori, rappresentanti di ENEL Distribuzione e di CEI e fornitori di fluidi per trasformatori. • E’ in programma la presentazione di un articolo sulla rivista AEIT di aprile 2006 sui risultati ottenuti con miscela CO 2 /O 2 in interruttori commerciali MT. • I risultati ottenuti nei WP-GAS, OLI e QMT verranno invece presentati alla 18 th International Conference CIRED in Vienna nel 2007. • ENEL Distribuzione ha richiesto una presentazione relativa ai risultati ottenuti sugli oli a base di esteri, da tenersi presso il CEI a settembre 2006. Accrescimento di competenze Risultati del progetto sono stati anche la formazione di un gruppo di tecnici, che nella condivisione dei successi e delle difficoltà, hanno accresciuto notevolmente le loro competenze.

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