Guida alla progettazione delle stazioni di trasformazione 132/33 kV nell’ambito dell’espansione della rete elettrica

La domanda globale di energia sta accelerando a un ritmo senza precedenti. Tra la rapida elettrificazione dei settori industriali pesanti, l’esplosione dei data center iperscalari e l’integrazione di enormi parchi eolici offshore da fonti rinnovabili, le reti elettriche regionali esistenti stanno superando i propri limiti termici. Per prevenire il collasso catastrofico della rete, gli operatori di utility e le imprese appaltatrici EPC (Engineering, Procurement, and Construction) stanno attualmente realizzando massicci progetti di espansione della rete, di portata generazionale.

Al centro stesso di questi interventi infrastrutturali si trova la stazione di trasformazione 132/33 kV.

A differenza delle cabine di distribuzione a media tensione localizzate, una centrale elettrica da 132/33 kV funge da ponte fondamentale e ad alta capacità tra il sistema nazionale di trasmissione ad alta tensione e le reti regionali di distribuzione. Le tolleranze ingegneristiche a 132 000 volt non ammettono compromessi. Un singolo difetto progettuale a questo livello non provoca soltanto l’arresto di una fabbrica; placa invece un’intera città nel buio.

In quanto produttore di primo livello di apparecchiature elettriche su scala industriale, forniamo consulenza su mega-progetti di trasmissione in tutto il mondo. Se state redigendo il progetto per una nuova centrale elettrica da 132/33 kV, ecco le considerazioni fondamentali riguardo spazialità, ridondanza e automazione che il vostro team di ingegneria deve affrontare per garantire decenni di stabilità della rete.

1. Topologia spaziale: AIS rispetto a GIS

Storicamente, acquisire terreni per una cabina elettrica da 132/33 kV alla periferia di una città era relativamente economico e semplice. Gli ingegneri sceglievano naturalmente topologie con apparecchiature di commutazione isolate in aria (AIS). Tuttavia, poiché l’aria ambiente è un povero mezzo dielettrico, le distanze di sicurezza richieste tra fase e fase e tra fase e terra a 132 kV sono enormi. Una cabina elettrica da 132/33 kV basata su AIS richiede tipicamente diversi acri di terreno recintato, imponenti strutture metalliche e vaste griglie di messa a terra in rame.

Oggi, l’ampliamento delle reti spesso deve avvenire in aree periurbane o industriali densamente popolate, dove il terreno è scarso e proibitivamente costoso. La soluzione moderna consiste nel migrare il proprio progetto di cabina elettrica da 132/33 kV verso alta tensione interruttori Isolati a Gas (GIS) .

Contenendo i collettori, gli interruttori e i sezionatori all’interno di tubi di alluminio messi a terra e riempiti con gas SF6 pressurizzato (o con moderne alternative ecocompatibili), la distanza dielettrica si riduce da metri a pochi millimetri.

Sebbene il CAPEX iniziale per l’hardware di una stazione di trasformazione 132/33 kV basata su GIS sia superiore, i notevoli risparmi nelle opere civili, nell’acquisizione del terreno e nell’OPEX a lungo termine ne fanno la scelta finanziariamente superiore per le espansioni moderne della rete.

2. Dimensionamento del trasformatore e pianificazione della contingenza N-1

L’asset più costoso e vitale all’interno di questa struttura è il trasformatore. Poiché operiamo su livelli di rete nazionale, questi non sono unità commerciali standard, bensì altamente personalizzate grandi trasformatori di potenza del peso di oltre 80–120 tonnellate.

Nel determinare la capacità totale di una nuova cabina primaria 132/33 kV, i progettisti della rete non possono semplicemente allinearsi al carico di picco attuale della regione. Devono applicare rigorosamente il «criterio di contingenza N-1».

La regola N-1 stabilisce che una cabina primaria 132/33 kV deve essere in grado di gestire il carico di picco assoluto della regione anche nel caso di un guasto improvviso del suo componente singolo più grande. Pertanto, una cabina primaria 132/33 kV progettata correttamente raramente farà affidamento su un singolo trasformatore di grandi dimensioni. Invece, i progettisti prevederanno due o tre unità funzionanti in parallelo.

Ad esempio, se una zona industriale in via di sviluppo richiede una potenza di picco pari a 100 MVA, la sottostazione 132/33 kV dovrebbe idealmente essere progettata con due unità da 100 MVA (oppure con tre unità da 50 MVA). Se un trasformatore di trasmissione subisce un guasto interno o viene messo fuori servizio per la normale filtrazione dell’olio, le unità rimanenti assumono istantaneamente il carico senza alcuna interruzione, neppure di un istante, del servizio alla rete regionale.

3. Regolazione dinamica della tensione tramite OLTC

I progetti di espansione della rete spesso comportano il trasporto di energia su vaste distanze geografiche. Quando l’elettricità percorre centinaia di chilometri provenendo da una diga idroelettrica remota o da un parco eolico fino alla vostra sottostazione 132/33 kV, ha probabilmente subito una notevole caduta di tensione a causa della resistenza delle linee di trasmissione.

La vostra sottostazione 132/33 kV deve correggere tale degrado prima di cedere l’energia alla rete a 33 kV.

Per ottenere ciò, i grandi trasformatori di potenza all’interno della sottostazione devono essere specificati con regolatori di presa On-Load Tap Changers (OLTC) di tipo pesante l’OLTC agisce essenzialmente come un cambio meccanico per il trasformatore, aggiungendo o sottraendo fisicamente avvolgimenti attivi della bobina per regolare in tempo reale il rapporto di tensione, senza interrompere il flusso di potenza. Quando, nelle ore serali, la domanda regionale di energia elettrica aumenta bruscamente e la tensione sulle linee di trasmissione cala, l’OLTC automatico all’interno della cabina primaria 132/33 kV entra in funzione, garantendo che la potenza in uscita rimanga perfettamente stabile esattamente a 33.000 volt.

4. Livelli di corrente di cortocircuito e automazione digitale

A 132 kV, le correnti di cortocircuito sono estremamente distruttive. Se si verifica un guasto sulla rete — ad esempio un fulmine o il crollo di un traliccio di trasmissione — i relè di protezione all’interno della cabina primaria 132/33 kV dispongono di pochi millisecondi per identificare la posizione del guasto e aprire gli specifici interruttori automatici al fine di isolarlo.

Le sottostazioni obsolete si basavano su relè elettromeccanici lenti e ad alta manutenzione. Una sottostazione moderna, pronta per espansioni, da 132/33 kV deve essere realizzata come nodo completamente digitale conforme allo standard IEC 61850.

Digitalizzando la sottostazione da 132/33 kV, i dispositivi elettronici intelligenti (IED) comunicano tramite cavi in fibra ottica ad alta velocità anziché mediante ingombranti e vulnerabili fasci di cavi in rame. Ciò consente al sistema centrale SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) di monitorare, in tempo reale, lo stato di salute, le temperature dell’olio, le pressioni dei gas e le condizioni degli interruttori dell’intera sottostazione da 132/33 kV da una sala di controllo della rete nazionale distante centinaia di miglia.

Consigli strategici finali per gli sviluppatori della rete

Progettare e acquistare apparecchiature per un nodo di rete ad alta tensione è una delle operazioni logisticamente più complesse nel settore delle infrastrutture pesanti. Una sottostazione da 132/33 kV rappresenta un investimento ventennale che determina letteralmente il potenziale di crescita economica di intere aree geografiche.

Non potete permettervi incompatibilità di integrazione tra le vostre apparecchiature ad alta tensione e i vostri trasformatori. Per eliminare il rischio di approvvigionamento e accelerare i tempi di realizzazione dei progetti, i progettisti della rete dovrebbero collaborare direttamente con un produttore di primo livello di apparecchiature verticalmente integrato. Acquistando la vostra architettura GIS, i relè di protezione e i trasformatori ad alta capacità da un unico fornitore consolidato, garantirete che la nuova stazione di trasformazione 132/33 kV entrata in servizio offra una stabilità della rete senza pari, una ridondanza N-1 ottimale e decenni di trasmissione di energia elettrica senza interruzioni.