Stabilizzazione della tensione di alimentazione su grande scala: l’impianto IREM-BTicino

La società IREM, realtà italiana operante nel settore delle apparecchiature per il controllo e la generazione dell’energia elettrica, ha recentemente realizzato, in collaborazione con BTicino, un complesso impianto di circa 6 MVA di potenza per la stabilizzazione della tensione di alimentazione destinato ad equipaggiare un data center che rappresenta il fiore all’occhiello dell’information tecnology di un importante paese asiatico in via di sviluppo. I paesi di questa area geografica, caratterizzati da un importante sviluppo economico, sono sempre più spesso orientati ad acquisire le più raffinate tecnologie occidentali, ma molto spesso sono ostacolati in questa loro aspettativa dalla carente infrastruttura della rete elettrica, che è ancora in fase di sviluppo, o che comunque presenta standard qualitativi che raramente sono all’altezza delle evolute apparecchiature tecnologiche che dovrebbe alimentare. In sostanza nella stessa l’installazione devono poter convivere quindi due macro aspetti: da un lato l’infrastruttura del paese carente dal punto di vista della qualità dell’energia e del servizio elettrico rispetto agli standard occidentali, con una variabilità di tensione che molto spesso presenta elevatissimi scostamenti rispetto al valore nominale, dall’altro apparecchiature utilizzatrici molto sofisticate, che necessitano molto spesso di tensioni stabilizzate dell’ordine del ± 1%.

La situazione così descritta richiede che si interpongano stabilizzatori di tensione tra la rete pubblica e i carichi da alimentare. Lo stabilizzatore infatti è un’apparecchiatura capace di erogare una tensione stabilizzata in uscita a fronte di variazioni più o meno ampie della tensione in ingresso.

La produzione IREM si caratterizza in particolare per la realizzazione di stabilizzatori di tensione. Elementi connotanti degli stabilizzatori IREM si ritrovano nel know how dell’azienda, che a partire dal 1947, anno della sua fondazione, decennio dopo decennio ha vissuto una notevole evoluzione, con importanti implementazioni in termini di competenze, arrivando a poter offrire oggi una gamma che va da 1 kVA a 4,7 MVA.

Emilio Agnes, Product Manager IREM dichiara:

“La complessità di un progetto di questo tipo richiede uno studio approfondito che viene condiviso e costruito insieme al cliente. Partendo dalla tecnologia consolidata e affidabile che caratterizza i nostri progetti, si arriva congiuntamente alla costruzione dell’infrastruttura complessa che, come in questo caso, caratterizza il sistema. L’architettura distributiva debitamente applicata al fattore di scala è quella che si ritrova anche nelle macchine più piccole. Sussistevano da parte del cliente richieste addizionali in termini di temperatura di funzionamento e di rilevante tenuta al cortocircuito. L’infrastruttura di rete risultava determinare una corrente di corto circuito nel punto di installazione pari a 100 kA. Questo ha determinato ovviamente un investimento in termini di progettazione, per ricondursi a modelli noti, in cui dimensionare gli staffaggi delle barre a passi molto fitti, che fossero in grado di resistere agli sforzi elettrodinamici generati da queste elevate correnti. La nostra particolarità tecnica è lo stabilizzatore di tensione, un’apparecchiatura di potenza elettromeccanica con controllo elettronico. In questo caso, a questa macchina, è stato richiesto in aggiunta l’abbinamento di un trasformatore d’isolamento BT/BT, anch’esso caratterizzato da marcate connotazioni di resistenza all’azione di fulminazioni e di soppressione dei disturbi, oltre a ricreare a valle un regime IT, quindi neutro isolato da terra. È un regime particolare, che si ritrova solo quando ci si trovi in presenza di richieste di marcata continuità di servizio (es. sistemi di pompaggio di acque per uso di distribuzione potabile, ospedali, ecc.), in cui un primo guasto a terra non determina l’intervento delle protezioni. Nei sistemi TN un guasto franco a terra si traduce in un cortocircuito fase-neutro con conseguente intervento delle protezioni, mentre, nei sistemi con neutro isolato da terra, in caso di un primo guasto a terra, esso può essere rilevato e segnalato, permettendo di intervenire per ripristinare le condizioni di isolamento senza perdere la continuità di servizio.”

Descrizione della rete distributiva dell’applicazione

- Sistema elettrico alimentato in media tensione dalla rete o da gruppi elettrogeni di riserva;

- Sviluppo su 2 rami di alimentazione in bassa tensione indipendenti non in parallelo con congiunture di rete per garantire all’architettura distributiva la massima flessibilità di esercizio; ciascun ramo presenta i seguenti dispositivi:

1) Stabilizzatore di tensione IREM da 3 MVA;

2) Quadro Elettrico BTicino con istallate apparecchiature che estrinsecano le funzioni di protezione, sezionamento, by-pass e manovra di tutto l’apparato

3) Trasformatore d’isolamento BT/BT BTicino da 3 MVA

I due sistemi alimentano due diversi gruppi di carichi con un assorbimento di circa 3 MVA; in caso di fuori servizio di uno dei due rami, è possibile trasferire i carichi considerati prioritari o a bassissima interrompibilità da uno all’altro e viceversa. Ognuno dei due quadri elettrici forniti da BTicino prende alimentazione dalla rete e la trasferisce al carico attraverso il ramo stabilizzato (stabilizzatore + trasformatore) e i relativi interruttori di protezione (In=6.300 A in ingresso e In=5.000 A in uscita) o tramite l’interruttore di by-pass (In=6.300 A). Tramite opportune manovre e grazie agli interblocchi tra i sopracitati interruttori il ramo stabilizzato può essere posto fuori tensione per poter eseguire opere di manutenzione sullo stabilizzatore e sul trasformatore in completa sicurezza; in questo caso il carico continua ad essere alimentato direttamente dalla rete, anche se senza le qualità dell’energia garantite dallo stesso ramo stabilizzato. I quadri sono equipaggiati inoltre con una serie di dispositivi ausiliari di controllo, protezione e monitoraggio; in particolare sono state installate centraline di protezione dei trasformatori d’isolamento che attraverso le temperature rilevate delle termosonde poste in prossimità degli avvolgimenti generano allarmi e gestiscono logiche e un sistema di misura in grado di rilevare tramite analizzatori di rete le grandezze elettriche in ingresso ed in uscita del quadro.

Tutte le informazioni di stato dei principali dispositivi vengono rimandate attraverso spie di segnalazione sul quadro sinottico garantendo così l’individuazione immediata dello stato di ogni singolo dispositivo e vengono rese disponibili su morsettiera (eventuale interfaccia con PLC) grazie alla duplicazione dei contatti di stato.

Sulle linee entranti nei quadri sono presenti SPD di classe I (protezione contro le fulminazioni dirette) e su quelle in uscita, SPD di classe II (protezione contro le fulminazioni indirette e sovratensioni residue); anche questi dispositivi sono equipaggiati di contatti che ne segnalano l’efficienza e lo stato. La supervisione a distanza di tutti i parametri sopra descritti è garantita dalla trasmissione dei dati tramite una connessione ad una rete ethernet dei vari dispositivi; l’impianto si può così interfacciare col sistema di building automation adibito tra l’altro al monitoraggio della qualità dell’energia.

L’impianto fornito, che come abbiamo visto necessita di elevatissimi requisiti di affidabilità, è quindi caratterizzato da:

- protezioni contro le sovratensioni di origine atmosferica per fulminazione diretta;

- protezione dalle variabilità e dalle perturbazioni della rete;

- stabilizzazione della tensione;

- ricreazione di regime diverso di distribuzione attraverso il trasformatore d’isolamento;

- sezionamento, protezione e manovra di parte dell’infrastruttura elettrica sottesa.

Tutte le apparecchiature sono progettate per ricevere la doppia alimentazione a monte quindi da rete o da gruppi elettrogeni azionati da motori endotermici, con tempi di avviamento relativamente brevi. A valle di queste apparecchiature sono stati installati dei gruppi di continuità (UPS), con la funzione di garantire l’alimentazione degli impianti sottesi durante il tempo di avviamento dei gruppi elettrogeni. Lo stabilizzatore di tensione infatti non è in grado di supplire alla mancanza di rete; per contro, il gruppo di continuità non ha la capacità di accettare variazioni ampissime della tensione di rete. Le due macchine per questo si integrano molto bene.

“IREM è una storica azienda italiana, con sede a Borgone Susa, in Piemonte, fondata quasi 70 anni fa e da sempre apprezzata per l’altissima qualità e affidabilità del prodotto”, continua Emilio Agnes ” La nostra presenza consolidata sul mercato internazionale ha reso necessario sviluppare questo progetto con un partner di altrettanta storica presenza e in grado di offrirci prodotti e soluzioni di elevata affidabilità. Se IREM ha un panorama molto ampio di proposte per il mercato elettrico lo stesso si può dire per BTicino, con una gamma di prodotti, dagli interruttori modulari e scatolati agli interruttori aperti da 6300A e con correnti di cortocircuito fino a 100kA, quindi adatti come potenzialità tecnologica a coniugarsi con la nostre realizzazioni. In BTicino abbiamo apprezzato molto il servizio di supporto alla progettazione, grazie al quale ci è stato possibile fornire al cliente soluzioni personalizzate con l’obiettivo comune del raggiungimento della migliore proposta possibile. Cercare di capire le esigenze del cliente è sempre stato il nostro approccio, specie su progetti così importanti e realizzati su misura. Il collegamento di questa macchina aveva la particolarità di essere eseguito tutto con cavi armati, sia per la riduzione dell’effetto delle mutue induttanze dei cavi ma soprattutto per la capacità di sopportare un cortocircuito di quella entità.

L’ingresso di cavi armati è dall’alto, quindi determina la necessità di conferire un determinato grado di protezione IP nell’ingresso dei cavi, nella fattispecie dieci cavi da 300 mm2 per ogni fase in parallelo. E’ da notare che un cavo del genere ha un peso enorme e non è facilmente maneggiabile in quanto semi rigido. In ragione di questi elevati valori di corrente si sono dovuti adottare particolari accorgimenti costruttivi in corrispondenza dei punti di attraversamento degli involucri metallici al fine di contrastare la formazione di correnti indotte e i conseguenti problemi di riscaldamento.

E’ stato compiuto un notevole sforzo di ricerca in questa direzione:

si è impedito che gli elementi strutturali dei telai formassero una spira chiusa, si è ricorso all’impiego di materiali amagnetici, si è garantita la stabilità meccanica della connessione senza compromettere il grado IP. Data l’ampiezza dell’installazione, per questioni di sicurezza, abbiamo scelto di gestire tutto il progetto con un partner in grado di fornire anche i trasformatori, come BTicino: il vantaggio dei trasformatori isolati in resina è che non hanno perdite di olio e in questo caso sicuramente sono più indicati.

Il criterio di dimensionamento del trasformatore è guidato dallo specifico contesto di applicazione considerando le due condizioni estreme di funzionamento corrispondenti alla situazione di esercizio con di rete di ingresso minima e di rete di ingresso massima. Al fine di garantire il coretto funzionamento del trasformatore nelle due condizioni suesposte è stato necessario adottare particolari criteri di dimensionamento del circuito avvolto e del circuito magnetico. I trasformatori sono stati progettati tenendo conto di entrambe le condizioni di lavoro che variano in maniera dinamica in relazione alla variazione della tensione di rete. Dovendo dimensionare anche i circuiti ausiliari per le significative variazioni di tensione imposte, si è integrato all’interno di ciascun quadro elettrico uno stabilizzatore di tensione IREM di piccola taglia con la funzione di Power Supply per tutta la parte di automazione del quadro. Il test preliminare della macchina è stato eseguito in IREM attraverso un apposito banco di collaudo in grado di erogare 8000 A in uscita. La sezione quadri è stata testata in stabilimento BTicino a Tradate, Varese. Siamo soddisfatti e orgogliosi di questo importante progetto e posso affermare che la partnership IREM – BTicino ha prodotto un ottimo risultato frutto della massima integrazione delle offerte e delle potenzialità di prodotto delle due aziende”.