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IEEE E LA XX CONFERENZA ICDL 2019

14/06/2019
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Sessione di approfondimento: utilizzo e vantaggio degli oli esteri naturali come isolanti nei trasformatori elettrici.

Si svolgerà dal 23 al 27 giugno la XX edizione della Conferenza Internazionale IEEE sui Liquidi Dielettrici, ICDL 2019. L’evento, con organizzazione e segreteria curata dal CEI, si svolgerà a Roma presso l’Università La Sapienza.

La Conferenza riunirà a Roma circa 200 esperti provenienti, compresi gli italiani, da 38 Paesi del mondo, che presenteranno circa 180 paper inerenti lo stato dell’arte e gli sviluppi tecnico-scientifici con particolare riguardo alle applicazioni in campo elettrico.

Come ampiamente riportato nei precedenti numeri del CEI Magazine, gli argomenti trattati includono alcune sessioni tradizionali (studi e proprietà di base, fenomeni di scarica e pre-scarica, elettro-idrodinamica, performance e applicazioni dei liquidi dielettrici in applicazioni in AT, loro monitoraggio e tecniche diagnostiche) e sessioni speciali (applicazioni da parte di TSO e DSO di esteri naturali e sintetici nei trasformatori, gas alternativi all’SF6 a minor impatto ambientale, pompe elettro-idrodinamiche in applicazioni emergenti).

Nel seguito ci soffermeremo sulla prima delle sessioni speciali per offrire una panoramica sui recenti impieghi e sui vantaggi offerti dagli esteri naturali utilizzati come oli isolanti per i trasformatori.

Questo argomento è infatti particolarmente sentito a livello nazionale ed internazionale, e di riflesso nel contesto di ICDL 2019, in quanto l’utilizzo di oli naturali in alternativa a quelli di origine minerale, offre due vantaggi fondamentali:

  • l’elevata biodegrabilità (e rinnovabilità a fine vita) a vantaggio dell’ambiente e
  • la significativa riduzione dell’infiammabilità e, quindi, dei rischi d’incendio.

Il che si traduce in un aumento della sicurezza e della salute delle persone e del pianeta. Argomenti particolarmente cari, che hanno portato alla costituzione, nel 2016, di un apposito Gruppo di Lavoro (GdL) promosso dall’Università di Roma La Sapienza, CEI, Corpo Nazionale dei VVF, ISPRA e INAIL in collaborazione con i principali players del settore (ENEL, e-distribuzione, Terna, Acea, costruttori, produttori, ecc.) proprio con l’obiettivo di verificare l’effettiva possibilità di ridurre i rischi per l’uomo e per l’ambiente, attraverso una maggiore diffusione dei trasformatori elettrici isolati con esteri naturali.

I vantaggi per l’ambiente e l’uomo

Gli esteri naturali possiedono una straordinaria biodegradabilità rispetto agli oli minerali con notevoli vantaggi per l’ambiente in caso di possibili sversamenti.

I trasformatori elettrici di potenza sono componenti delle reti elettriche. Il tipo di trasformatore più diffuso è quello che utilizza liquidi isolanti, sostanze queste che ne estendono il campo di impiego alle più elevate tensioni (anche oltre i 500 kV) e potenze (anche oltre i 500 MVA).

Sin dalle prime applicazioni (inizi del ‘900), il mezzo più utilizzato quale isolante, in combinazione con carte e cartoni, è l’olio minerale, che offre un eccellente compromesso fra costi e prestazioni, e presenta un’ottima compatibilità con gli altri materiali impiegati nella costruzione dei trasformatori.

L’olio minerale ha però caratteristiche di infiammabilità ed anche di possibile pericolo per la salute e l’ambiente che, ai fini dell’analisi dei rischi legati al suo utilizzo, inducono alla considerazione di scenari incidentali quali incendio ed esplosione, rilascio tossico e contaminazione del suolo e delle acque superficiali e profonde.

In considerazione di ciò, sia in ambito nazionale che internazionale trovano oggi una precisa collocazione normativa quali liquidi sostitutivi degli oli minerali gli esteri naturali, comunemente denominati oli naturali. La pubblicazione nel dicembre 2014 da parte del CEI della Norma, di origine IEC e CENELEC, CEI EN 62770 “Fluidi per applicazioni elettrotecniche – Esteri naturali nuovi per trasformatori e apparecchiature elettriche similari” conferma l’interesse del mondo dei trasformatori, sia di grande potenza che da distribuzione, verso questa innovazione tecnologica.

Gli sversamenti ambientali di olio minerale, occasionalmente causati dai trasformatori, possono essere dovuti principalmente a rilascio accidentale a seguito di furto o tentato furto del rame presente all’interno del trasformatore stesso; caduta accidentale o guasto di un trasformatore contenente olio; spandimento conseguente ad incendio; sopravanzo di una o più vasche di raccolta, ad esempio a seguito di forti piogge. Generalmente si tratta di eventi che causano contaminazioni di aree con superficie non superiore a 1000 m2 e che quindi rientrano nelle procedure semplificate di cui all’art. 249 del D.Lgs. 152/2006 (Norme in materia ambientale).

I vantaggi forniti dall’utilizzo nei trasformatori di un fluido dielettrico sono stati chiari sin dalle prime applicazioni di queste apparecchiature. Il liquido isolante che da sempre ha trovato un larghissimo impiego è l’olio minerale, un derivato del petrolio. Gli oli minerali hanno ottime proprietà dielettriche, di trasmissione del calore e il loro prezzo di mercato risulta molto contenuto rispetto a tutti gli altri tipi di liquidi isolanti.

Di contro, gli oli minerali hanno il limite di avere una temperatura di infiammabilità non particolarmente elevata (circa 135 °C).

Con esclusione della negativa esperienza legata all’impiego degli Askarel (PCB), possibili alternative agli oli minerali sono individuabili negli oli siliconici, esteri sintetici e esteri naturali. Tuttavia, solo questi ultimi hanno caratteristiche talmente innovative e attraenti da averne permesso nel mondo una rapida applicazione nei trasformatori elettrici.

Gli esteri naturali sono prodotti generalmente da fonti rinnovabili come gli oli vegetali (es. olio di semi di soia, olio di nocciole) e consistono sostanzialmente in trigliceridi. Questi hanno il vantaggio di possedere un punto di infiammabilità significativamente superiore (generalmente > 300 °C) rispetto agli oli minerali; inoltre sono sostanze essenzialmente non pericolose per la salute umana e l’ambiente, sono una risorsa rinnovabile, a fine vita possono essere riutilizzati come sottoprodotti (es. biodiesel), rispondendo ai requisiti dell’economia circolare, e sono caratterizzati da un’elevata biodegradabilità che fa presupporre un minor impatto ambientale. In caso di sversamento accidentale, tale elevata biodegradabilità riduce la possibilità che si generino condizioni critiche per l’ambiente, ovviamente con valutazioni specifiche da adottare di caso in caso.

Il loro uso in scala commerciale è in crescente aumento. Nel mondo ad oggi si conta che siano in servizio oltre 2 milioni di trasformatori (soprattutto da distribuzione) isolati con esteri naturali.

L’utilizzo di esteri naturali, in sostituzione agli oli minerali, è auspicabile in quanto di minor impatto ambientale (elevata biodegradabilità) e a minor rischio di incendio (temperatura di fiamma più elevata).

Le attività del GdL di cui anticipato nell’introduzione del presente articolo, condotte con la collaborazione dei principali players del settore, sono anche finalizzate ad effettuare uno studio di sostenibilità che tenga in debito conto degli aspetti economici, ambientali e sociali connessi a tale innovazione.

Il GdL ha appena pubblicato un importante documento guida sugli esteri naturali che sarà a breve diffuso anche attraverso eventi organizzati dal CEI.

I vantaggi rispetto alla sicurezza al fuoco

L’utilizzo oli esteri naturali riduce i rischi di incendio dei trasformatori: prove comparative condotte nei laboratori dei VVF lo hanno dimostrato.

Il DM 15/7/2014 di approvazione della regola tecnica di prevenzione incendi per la progettazione, l’installazione e l’esercizio delle macchine elettriche fisse, tra cui i trasformatori, con presenza di liquidi isolanti combustibili in quantità superiore ad 1 m³ (attività N.48 di cui all’Allegato I al DPR 151/2011)

Lo stesso DM 15/7/2014, ai fini antincendio, prevede una classificazione delle installazioni in funzione dei livelli di urbanizzazione dell’area di collocazione delle stesse nonché del volume di liquido isolante, nel caso di macchine di nuova installazione, o della potenza, nel caso di macchine esistenti.

Il volume di olio combustibile isolante può essere ricavato dai dati di targa della macchina elettrica, riferito al peso dell’olio misurato in condizioni di riferimento normalizzate. Nel caso in cui non sia possibile accedere ai dati di targa, il volume di olio combustibile è dichiarato dall’esercente dell’impianto. Ai fini della determinazione della capacità complessiva di liquido isolante combustibile per considerare le installazioni fisse distinte, la norma prevede specifici requisiti di distanza tra le stesse oppure la presenza di muri di separazione con determinate caratteristiche di resistenza al fuoco e di dimensioni.

Nel DM 15/7/2014 sono riportate anche le disposizioni tese a contrastare la propagazione di un incendio dovuto allo spandimento del liquido isolante combustibile. In particolare, ogni macchina (con contenuto di liquido isolante combustibile superiore ad 1 m3) deve essere dotata di un adeguato sistema di contenimento.

Per macchine elettriche interne ai locali, si può fare ricorso a vasche di contenimento collocati intorno alle apparecchiature o al convogliamento del liquido versato in un’area di raccolta, entrambi dimensionati in modo da contenere il volume del liquido isolante contenuto nelle macchine elettriche e quello del sistema di protezione antincendio (ove previsto).

Per gli impianti all’aperto, il dimensionamento del sistema di contenimento deve essere effettuato secondo le specifiche norme tecniche vigenti; in particolare, la Norma CEI EN 61936-1 “Impianti elettrici con tensione superiore a 1 kV in c.a. Parte 1: Prescrizioni comuni” prevede una fossa di raccolta con lunghezza e larghezza pari a quelle del trasformatore, aumentata su ciascun lato del 20% dell’altezza del trasformatore (conservatore incluso). La stessa Norma prescrive, poi, distanze di rispetto per i trasformatori o la presenza di muri tagliafiamma.

Ciò, tenendo anche conto del fatto che il citato DM 15/7/2014, a differenza di quanto riporta la Norma CEI EN 61936-1, non ha previsto una diversificazione delle distanze di separazione per i trasformatori in funzione del fatto che si possa trattare di macchine isolate in olio minerale o con altro tipo di olio ad alto punto di fiamma (come, appunto, gli esteri naturali). I valori di riferimento delle distanze di rispetto in aria per trasformatori all’aperto sono indicati nella Tabella 3 di tale Norma e risultano differenziati in funzione della classe dell’olio contenuto nel trasformatore, privilegiando l’uso degli esteri naturali (liquidi di classe K).

I vantaggi rispetto alla sicurezza al fuoco riconosciuti agli esteri naturali dalla Norma internazionale IEC 61936-1 sono anche confermati dai documenti di riferimento normalmente in uso nel Nord America e predisposti da FM Global (Factory Mutual Insurance Company), il gruppo assicurativo americano specializzato in valutazione e prevenzione del rischio industriale.

Nel settore dei trasformatori, l’FM Global ha pubblicato il documento “Transformers – Property Loss Prevention Data Sheets” (luglio 2012) che favorisce ampiamente l’uso degli esteri naturali. Ciò spiega anche l’ampissima diffusione nel Nord America di trasformatori isolati con esteri naturali (soprattutto da distribuzione).

Allo scopo di verificare il diverso comportamento degli esteri naturali, il Gruppo di Lavoro costituitosi in Italia ha anche provveduto ad eseguire alcune prove comparative di tali isolanti innovativi, costituiti da esteri naturali, presso i laboratori del Nucleo Investigativo Antincendi del Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco. Tra tali prove si evidenziano lo spray test, simulazione di incendi di piccoli trasformatori e test di opacità e pericolosità dei fumi rilasciati.

Queste prove hanno mostrato, nei confronti dell’incendio, il migliore comportamento degli esteri naturali rispetto ai tradizionali oli minerali: in particolare, anche se sottoposti ad un innesco esterno continuo, gli esteri naturali hanno mostrato una straordinaria incapacità di sostenere, anche per tempi brevi, la presenza della fiamma. Tale proprietà garantisce una maggiore sicurezza nei confronti nell’innesco e della propagazione dell’incendio.

Le attività svolte hanno rafforzato i rapporti di collaborazioni, già esistenti, tra CEI, Università di Roma “La Sapienza” e Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco.

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