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ESTERI NATURALI: COSA, COME E PERCHÈ

17/11/2017
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Riduzione del rischio di incendio nei trasformatori elettrici di potenza con gli oli isolanti di origine vegetale.

Michele Mazzaro (Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco)

Massimo Pompili e Luigi Calcara (Università degli Studi di Roma “La Sapienza”)

 

Introduzione

I trasformatori elettrici più diffusi, nel campo delle medie e alte tensioni, sono quelli con isolamento a base di liquidi isolanti. Tra questi, il liquido isolante di gran lunga più utilizzato è l’olio minerale. Trasformatori isolati con liquidi siliconici hanno avuto limitatissime applicazioni. In tempi recenti si stanno diffondendo unità isolate a base di esteri naturali, sostanze queste che presentano una elevatissima biodegradabilità e un miglior comportamento al fuoco. Tali sostanze trovano oggi una precisa collocazione normativa come testimoniato dalla recente pubblicazione nel Dicembre 2014 da parte del CEI della Norma IEC e CENELEC EN 62770 “Esteri naturali nuovi per trasformatori e apparecchiature elettriche similari”. È lecito attendersi ulteriori sviluppi normativi basati sui lavori attualmente in corso sia in ambito IEC che CIGRE. Infatti, l’IEC ha avviato il Gruppo di Lavoro PT 62975 che, a partire dal Marzo 2015, ha allo studio l’elaborazione della norma “Use and maintenance of natural ester insulating liquids in electrical equipment”.

In ambito CIGRE, a partire dal Settembre 2017, si sono invece avviati i lavori del Gruppo di Studio WG D1.68 “Natural and synthetic esters – Evaluation of the performance under fire and the impact on environment”, che rappresenta lo sviluppo di un progetto nazionale già avviatosi nel 2016 in Italia attraverso la collaborazione dell’Università di Roma “La Sapienza”, il Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco, il Dipartimento di Innovazione Tecnologica e di Sicurezza dell’INAIL, l’ISPRA e con la partecipazione dei principali stakeholder del settore elettrico (TERNA, e-distribuzione, areti, Tamini, Getra Trasformatori, ANIE, Cargill, Fratelli Parodi e Novamont). Questo Gruppo di Lavoro italiano ha avuto il merito di validare, attraverso sia prove sperimentali che un ampio dibattito tecnico-scientifico, le migliori proprietà che gli esteri naturali presentano rispetto ai più comuni oli minerali. Tra queste attività, di particolare rilievo sono risultate le prove svolte presso i laboratori dei Vigili del Fuoco di Montelibretti (Roma) nella primavera del 2016. Ulteriori prove che prevedono la simulazione completa di sviluppi di incendi di trasformatori isolati sia con oli minerali che con esteri naturali sono previste entro la fine del presente anno.

 

Tipologie di oli isolanti

È noto che l’impiego di liquidi isolanti consente di costruire trasformatori di elevatissime potenze e tensioni grazie alle straordinarie proprietà di tali sostanze sia dal punto di vista dielettrico che diatermico.

Il liquido isolante storicamente più utilizzato è l’olio minerale e cioè un derivato del petrolio. Possibili alternative agli oli minerali, escluso l’Askarel (PCB), sono gli oli siliconici, gli esteri sintetici e gli esteri naturali, le cui principali caratteristiche sono sintetizzate in Tabella 1 [1].

Tabella 1 – Principali caratteristiche degli oli minerali, esteri naturali e sintetici e liquidi siliconici [1]

(*) Mean expected values.

Le principali caratteristiche degli oli minerali isolanti nuovi e in esercizio da utilizzarsi in trasformatori e apparecchiature elettriche sono riportate nelle norme IEC 60296 e IEC/EN 60422. Una proprietà critica per gli oli minerali, soprattutto in luoghi “sensibili” quali quelli a maggior rischio di incendio, è il punto di fiamma la cui classificazione è effettuata in base alla IEC 61039.

Gli esteri naturali sono prodotti da fonti rinnovabili come gli oli vegetali (ad esempio: olio di semi di soia, olio di nocciole) e consistono sostanzialmente in trigliceridi. Le caratteristiche degli esteri naturali sono stabilite dalla Norma CEI EN 62770. Tali sostanze 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 (ad esempio, biodiesel), rispondendo ai requisiti dell’economia circolare e sono caratterizzati da un’elevata biodegradabilità e un minor impatto ambientale [2]. Il loro uso in scala commerciale è ancora limitato, anche in relazione al loro maggiore costo rispetto ai tradizionali oli minerali ed una tendenzialmente minore capacità di resistenza all’ossidazione che, tuttavia, può essere oggi corretta attraverso l’uso di appropriati additivi. Nel mondo, ad oggi si conta che siano stati realizzati circa 1 milione di trasformatori (soprattutto da distribuzione e di piccola taglia) isolati con esteri naturali. Esistono applicazioni estremamente più impegnative; attualmente il più grande trasformatore (440 MVA – 420 kV) al mondo isolato con esteri naturali è quello entrato in funzione nel Febbraio 2014 presso la Stazione Elettrica TransnetBW di “Bruchsal-Kändelweg” (Germania). Tale macchina ha una massa complessiva di oltre 381 tonnellate. Sempre in questi anni recenti, oltre a tale applicazione, nel mondo ne sono seguite molte altre tra cui si cita ad esempio quella messa in atto dalla LIGHT (Distribu- tore elettrico di Rio de Janeiro) che, in occasione delle recenti Olimpiadi, ha installato nel nuovo villaggio olimpico 3 trasformatori da 40 MVA – 130 kV (Figura 1). A breve, anche in Italia entreranno in funzione nuovi trasformatori sempre isolati con esteri naturali (250 MVA – 400/150 kV). Sebbene gli esteri naturali presentino più elevate viscosità rispetto agli oli minerali, le capacità di smaltimento termico dei trasformatori isolati con tali sostanze (per apparecchiature appositamente progettate) risultano del tutto comparabili con quelle di unità isolate a base di oli minerali grazie ai positivi contributi di calore specifico e conducibilità termica [1, 5]. A ciò, peraltro, deve aggiungersi il vantaggio che, presentando gli esteri naturali punti di fiamma più elevati, il funzionamento di trasformatori con essi isolati può essere spinto a temperature più elevate con evidenti vantaggi dal punto di vista della sovraccaricabilità.

Figura 1 – Uno dei tre trasformatori da 40 MVA a 130 kV installati dalla LIGHT all’interno del villaggio olimpico di Rio de Janeiro al fine di ridurre i rischi di incendio.

 

Disposizioni vigenti per l’installazione di trasformatori elettrici

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 al DPR 151/2011), risulta finalizzato a:

  • prevenire e mitigare, per quanto possibile, le conseguenze di situazioni di guasto interno alle macchine che possono essere causa d’incendio ovvero esplosione;
  • garantire la stabilità delle strutture portanti al fine di assicurare il soccorso agli occupanti;
  • limitare, in caso di incendio ovvero di esplosione, danni a persone, animali e beni;
  • limitare la propagazione di un incendio all’interno dei locali, edifici contigui o aree esterne;
  • assicurare la possibilità che gli occupanti lascino l’istallazione indenni o che gli stessi siano soccorsi in altro modo;
  • garantire la possibilità per le squadre di soccorso di operare in condizioni di sicurezza.

Tale Decreto, ai fini antincendio, prevede una classificazione in funzione dell’urbanizzazione dell’area di installazione e del volume di liquido isolante nel caso di trasformatori di nuova installazione o della potenza nel caso di macchine esistenti. Nel DM 15/07/2014 sono riportate disposizioni tese a contrastare la propagazione di un incendio dovuto allo spandimento del liquido isolante combustibile, secondo cui ogni macchina (contenente almeno 1 m3 di liquido isolante) deve essere dotata di un adeguato sistema di contenimento. Per macchine elettriche interne si può fare ricorso a bacini di contenimento disposti 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 (CEI 99-2), pienamente applicabile dal Novembre 2013) 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.

Bisogna evidenziare che il citato DM 15/07/2014, nell’attuale versione, non ha previsto una diversificazione delle distanze di rispetto per i trasformatori in olio, se minerale o di altro tipo ad alto punto di fiamma (come, appunto, gli esteri naturali), così come invece avviene secondo la Norma CEI EN 61936-1. 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 appunto l’uso degli esteri naturali (liquidi di classe K). Dalla citata Tabella della Norma CEI EN 61936-1 si può notare come le distanze di rispetto, ad esempio tra trasformatori di pari potenza, si riducono notevolmente passando da trasformatori in olio minerali (tipo O) a trasformatori isolati con esteri naturali a bassa infiammabilità (tipo K). Ad esempio, per i grandi trasformatori (generalmente contenenti oltre 45.000 litri di liquido isolante) tali distanze di rispetto si riducono da 15 m per le unità in olio minerale a 4,5 m per quelle isolate con esteri naturali. I vantaggi rispetto alla sicurezza al fuoco riconosciuti agli esteri naturali dalla Norma CEI EN 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 rischio industriale e sua prevenzione. FM Global nel settore dei trasformatori ha pubblicato il documento (Luglio 2012) “Transformers – Property Loss Prevention Data Sheets” che ampiamente favorisce l’uso degli estri naturali. Ciò spiega anche l’ampissima diffusione nel Nord America di trasformatori (soprattutto da distribuzione) isolati con esteri naturali il cui numero, ad oggi, può essere valutato in almeno 500.000 unità.

 

Prove sperimentali eseguite presso i laboratori dei vigili del fuoco

Allo scopo di verificare il diverso comportamento degli esteri naturali, i Vigili del Fuoco e l’Università di Roma “La Sapienza” in collaborazione con altri stakeholder del settore elettrico, hanno iniziato una campagna di prove sperimentali. In una prima fase (primavera 2016) sono state eseguite prove preliminari comparative di infiammabilità tra esteri naturali e oli minerali; entro il 2017 è invece prevista l’esecuzione di ulteriori test che prevedono la simulazione comparativa di incendio di trasformatori reali verificando se e come il fuoco può sprigionarsi e le principali differenze comportamentali.

Le prime prove eseguite presso i laboratori di Vigili del Fuoco hanno riguardato un confronto di comportamento al fuoco tra oli minerali e esteri naturali seguendo il cosiddetto “spray test”. In particolare, l’olio dielettrico è stato preriscaldato a 50 °C e poi nebulizzata in aria libera ad una pressione specificata. Contemporaneamente veniva provocata, tramite una sorgente esterna, l’accensione di detta miscela aria-massa liquida, valutando alcune proprietà. Tali prove hanno messo in luce il netto miglior comportamento degli esteri naturali rispetto ai tradizionali oli minerali: in particolare, gli esteri naturali hanno mostrato positive doti di difficoltà a mantenere attiva la fiamma, anche se di origine esterna (Tabella 2 e Figura 2).

Tabella 2 – Comportamento al fuoco di oli minerali e esteri naturali: capacità di mantenere la fiamma, tempo di spegnimento della fiamma e colore dei fumi [1]

 

Figura 2 – Sequenza di immagini di comportamento al fuoco tra esteri naturali (a) e oli minerali (b) in spray test [1].

Bibliografia

[1] Bemporad, S. Berardi, L. Calcara, A. Ledda, M. Pompili, “Liquidi Isolanti nei Trasformatori di Poten- za: Aspetti di Sicurezza per i Lavoratori”, 23° Convegno di Igiene Industriale “Le Giornate di Corvara”, Corvara (BZ), 2017.

[2] Cigré TB436, “Experiences in service with new insulating liquids”, Paris, 2010.

[3] Pompili, F. Scatiggio, V. Tumiatti, “Liquidi isolanti: nuove prospettive ed evoluzione normativa, Unione e Certificazione”, n. 5, pp. 41-44, 2009.

[4] Mazzaro, M. Pompili, “Riduzione dei rischi da incendio dei trasformatori attraverso l’uso di esteri naturali”, CEI Magazine, settembre 2016, pp. 15-17, 2016.

[5] Scatiggio, M. Pompili, “Evaluation of vegetable ester for filling large power transformers”, Proceed. International Conference on Dielectrics (ICD), Montpellier (FR), 2016.

 

© RIPRODUZIONE RISERVATA

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