Selezione del trasformatore per l'alimentazione da terra: specifica dell'approvvigionamento per banchine a 6,6 kV e 11 kV

 

 

La gara è arrivata come venti pagine di lavori civili e una sola riga riguardante la parte elettrica: fornitura e installazione di alimentazione da terra a 6,6 kV. Abbiamo chiesto all’ingegnere elettrico del porto su quale frequenza operasse la flotta in visita. È seguito un momento di silenzio, quindi la risposta: qualunque sia la frequenza standard. Quella singola domanda lasciata senza risposta determina la classe del trasformatore per l'alimentazione da terra , se il posto barca richieda o meno un convertitore statico di frequenza e se una nave da crociera possa effettivamente collegarsi al sistema all’arrivo.

L’alimentazione da terra (cold ironing) è passata da voce di progetto pilota a condizione obbligatoria per il rilascio delle autorizzazioni in un numero sempre maggiore di porti; spesso il pacchetto elettrico è la parte redatta per ultima e revisionata meno frequentemente. Questa guida illustra ciò che un trasformatore per l'alimentazione da terra sistema di alimentazione da terra deve sopportare in un posto barca, quali valori devono comparire nella specifica tecnica e i dettagli relativi alle armoniche e alla corrosione che determinano se l’unità rimarrà operativa dopo quindici anni di esposizione all’aria salmastra.

Il carico dell’alimentazione da terra non è un carico edilizio

Una nave attraccata spegne i suoi motori ausiliari e preleva tutta l’energia dalla terraferma: carico alberghiero, container refrigerati (reefer), pompe, gru su navi con sistema di autounloading e, su una nave da crociera, l’intero carico di climatizzazione (HVAC) e della cucina. La domanda di picco è elevata e si verifica in un’unica fase. Un attracco per navi da crociera di grandi dimensioni è solitamente progettato per una potenza di circa 7,2 MVA a 6,6 kV, ovvero circa 630 A di corrente secondaria, mentre un attracco per navi portacontainer dotato di banchi per reefer si colloca tipicamente tra 1,5 e 3 MVA.

Il servizio è inoltre ripetitivo in un modo che mai un trasformatore di distribuzione deve affrontare. Ogni collegamento di una nave alimenta prima il trasformatore a terra e poi il trasformatore della nave stessa, pertanto gli assorbimenti di spunto (inrush) si verificano più volte al giorno, talvolta con cavi lunghi da 200 a 400 m tra la presa d’attracco e la nave. Aggiungendo una temperatura ambiente di 45 °C in un porto del Golfo, un’umidità relativa del 90 % e una vita utile progettata di 20–30 anni, il margine termico che appariva generoso sul foglio dati comincia a sembrare insufficiente.

 

Tensione, frequenza e scelta del convertitore

La connessione elettrica ad alta tensione da terra è standardizzata in IEC/IEEE 80005-1 , e il relativo emendamento del 2021 esiste in gran parte perché la rotazione di fase all’interfaccia nave-banchina ha causato problemi in servizio. La conclusione pratica per un acquirente di trasformatori è più ristretta: il molo deve fornire la tensione e la frequenza previste dalla nave, e il trasformatore rappresenta soltanto una parte di tale catena.

Tre configurazioni coprono la maggior parte delle gare d’appalto e richiedono tre diverse specifiche per i trasformatori.

 

Configurazione del molo	Funzione del trasformatore	Cosa cambia nella specifica
rete a 60 Hz, flotta a 60 Hz	Solo abbassamento di tensione, ad esempio da 33 kV a 6,6 kV	Più simile a un normale trasformatore di distribuzione: impedenza standard, raffreddamento ONAN o ONAF, verniciatura C5-M per l’atmosfera marina
rete a 50 Hz, flotta a 60 Hz	Alimenta un convertitore statico di frequenza oppure è installato sull’uscita del convertitore	Corrente ricca di armoniche, componente continua in uscita dal convertitore, perdite parassitarie ed eddy più elevate, ausiliari come ventilatori e pompe sul lato convertitore
rete a 50 Hz, flotta a 50 Hz (traghetti, navi ro-ro)	Solo abbattimento di tensione, ad esempio da 11 kV a 6.6 kV	Rapporto di trasformazione e campo di regolazione dei prelievi dimensionati sulla flotta effettiva, non su una flotta futura

 

Dove le frequenze coincidono, un trasformatore per l'alimentazione da terra è un trasformatore di distribuzione o di potenza convenzionale con una specifica anticorrosione insolita. Dove invece non coincidono, il trasformatore è posizionato a valle del convertitore e ne eredita la forma d’onda. Quest’ultimo caso è quello in cui risiede la maggior parte del rischio ingegneristico e in cui una valutazione standard delle perdite diventa silenziosamente errata.

 

Dove le armoniche colpiscono il trasformatore

I raddrizzatori di bordo sono la fonte. Una configurazione a sei impulsi genera armoniche caratteristiche di ordine 5 e 7; una configurazione a dodici impulsi sposta le armoniche dominanti all’ordine 11 e 13. Queste correnti attraversano il trasformatore e le perdite parassitarie nei avvolgimenti aumentano approssimativamente con il quadrato dell’ordine armonico, quindi l’11ª e la 13ª armonica causano un riscaldamento molto maggiore per ampere rispetto alla fondamentale.

Nella specifica vanno indicati due valori. Il primo è un limite di perdita armonica, espresso o come fattore K oppure come spettro armonico dichiarato che l’unità deve sopportare alla corrente nominale senza superare il proprio incremento di temperatura ammissibile. Il secondo è il limite di distorsione tensione nel punto di collegamento comune, dove I limiti armonici IEEE 519 stabiliscono una distorsione armonica totale del 5% per sistemi compresi tra 1 kV e 69 kV. Un punto di attracco a 6,6 kV rientra pienamente in tale fascia.

Ecco la parte che la maggior parte delle specifiche portuali trascura. Aumentare l'impedenza del trasformatore per controllare la corrente di cortocircuito aumenta anche la distorsione della tensione per la stessa corrente armonica, poiché una quota maggiore di tale distorsione si manifesta proprio sul trasformatore. Impedenza, numero di impulsi del convertitore e progettazione del filtro devono essere scelti congiuntamente. Quando riceviamo una richiesta per un posto barca che prevede un’impedenza dell’8%, un convertitore a dodici impulsi e nessun filtro, segnaliamo immediatamente questa combinazione prima di formulare un preventivo.

 

Sale, umidità e ambiente del posto barca

Un posto barca è un sito costiero caratterizzato da un’atmosfera insolitamente aggressiva: nebbia salina, umidità legata alle maree, gas di scarico diesel e pulizia con idrante nelle vicinanze dell’edificio del terminal. Per le installazioni all’aperto sulla banchina, il sistema di verniciatura deve rispettare la classe C5-M della norma ISO 12944; le viti esposte devono essere in acciaio inossidabile 316 e la base del serbatoio deve essere progettata per non corrodersi ai punti di ancoraggio. Le strutture di base zincate a caldo sono diffuse; chiediamo lo spessore del rivestimento in micrometri, non il nome del colore.

L'involucro e il sistema di raffreddamento derivano dalla collocazione. Le unità ad immersione in olio sono adatte a un'area esterna accanto al molo; le unità in resina epossidica di tipo "dry" sono invece adatte all'edificio terminale interno, dove i requisiti relativi al carico d'incendio e al percorso dei cavi rendono preferibile un'unità priva di liquidi. In entrambi i casi specificare un grado di protezione minimo IP54, riscaldatori anticondensa nel compartimento BT e una classe di aumento di temperatura valida alla temperatura ambiente effettiva del sito, anziché alla temperatura standard di 40 °C indicata nel catalogo.

Un particolare che evidenziamo fin dall'inizio, poiché comporta costi elevati se affrontato in una fase successiva: il guasto dei ventilatori. Un'unità ONAF, dimensionata per sopportare il carico completo del molo con i ventilatori in funzione, perde dal 25 al 30% della propria capacità qualora un motore del ventilatore si blocchi ad agosto. Specificare quindi o un allarme di gruppo per ventilatori collegato al sistema di monitoraggio del porto, oppure dimensionare la potenza nominale ONAN in base al carico continuo reale, considerando la fase di raffreddamento forzato come riserva di potenza per i picchi di carico dell'hotel.

 

 

 

Cosa inserire nel Trasformatore per l'alimentazione da terra Specifiche

La tabella seguente rappresenta il set minimo di dati necessari prima che un preventivo per una banchina possa essere calcolato correttamente. Le voci mancanti vengono trattate come ipotesi, e le ipotesi si traducono in ordini di modifica. Qualora una voce compaia anche nella norma IEC/IEEE 80005-1, indicare accanto ad essa la relativa clausola della norma, affinché fornitore e ispettore portuale facciano riferimento allo stesso requisito.

 

Parametro	Requisito tipico per banchina	Perché è importante
Potenza nominale	7,2 MVA per banchina crociera; 1,5–3 MVA per banchina container	Determina l’intero progetto termico e la sezione del cavo dal quadro banchina
Rapporto di Tensione	tensione primaria da 33 kV o 11 kV, tensione secondaria da 6,6 kV o 11 kV	Deve corrispondere alla quadro nave, non alla rete portuale
Frequenza	60 Hz per una flotta a 60 Hz, 50 Hz per una flotta a 50 Hz; convertitore nei casi di differenza	Determina se un convertitore, e il suo spettro armonico, entrano nel progetto
Impedenza	tipicamente dal 6% all’8%, coordinato con il livello di cortocircuito	Un valore troppo basso espone il quadro nave a correnti di cortocircuito eccessive; un valore troppo alto aumenta la distorsione della tensione
Sollecitazione armonica	Spettro dichiarato o fattore K, distorsione armonica totale tensione (THDv) del 5% al punto di connessione alla rete (PCC)	Previene punti caldi sull’avvolgimento che nessun test standard sulle perdite riesce a rivelare
Raffreddamento	Raffreddamento ONAN con stadio ONAF, allarme ventola collegato alla SCADA della banchina	Mantiene la banchina in servizio anche in caso di guasto di una ventola
Corrosione	Verniciatura C5-M secondo ISO 12944, fissaggi in acciaio inossidabile 316, grado di protezione IP54	Quindici anni di esposizione all’aria salmastra rappresentano il vero test di accettazione
Test	Prove di routine, prova di innalzamento della temperatura, misura della scarica parziale (PD) per trasformatori in resina colata	Fornisce al porto un riferimento da confrontare con la prossima gara

 

 

Come Ryan affronta una richiesta di offerta per una banchina

Costruiamo trasformatori immersi in liquido e in resina colata in uno stabilimento di 120.000 m² dotato di oltre 180 insiemi di attrezzature per produzione e collaudo, supportati da 37 brevetti; dal 2023 operiamo come partner di joint venture di Eaton. Ciò conta meno della conversazione ingegneristica, ma significa comunque che una richiesta di offerta per una banchina viene gestita da persone che hanno già discusso di impedenza.

Per una flotta eterogenea, l’opzione utile è una tensione secondaria doppia con selezione dei collegamenti a circuito aperto, in modo che un unico progetto soddisfi le navi da 6,6 kV e 11 kV senza dover disporre di un secondo unità di riserva sul posto. I collegamenti a circuito aperto per la regolazione del rapporto di trasformazione sono anche il metodo più economico per coprire una tensione di rete che si discosta da quella indicata nel disegno. Ogni unità viene spedita dopo aver eseguito prove standard, i cui risultati sono registrati come valori misurati, una prova di innalzamento della temperatura effettuata alla corrente nominale e una fotografia della targhetta identificativa scattata prima dell’imballaggio, poiché la targhetta è la prima cosa che un ispettore portuale legge all’arrivo.

L'interfaccia di collegamento ad alta tensione alla banchina è il punto in cui si concentrano la maggior parte delle discussioni, che avvengono di solito tra tre parti che non si incontrano mai: il consulente elettrico del porto, il responsabile tecnico della nave e il fornitore del trasformatore. Richiediamo fin dall'inizio lo schema unifilare della nave. Un convertitore a dodici impulsi a bordo modifica il carico armonico sul nostro avvolgimento, e una nave dotata di quadro elettrico a 6,6 kV e generatore a 60 Hz non può essere servita da una banchina a 50 Hz senza un convertitore, per quanto generoso possa apparire il valore di potenza nominale del trasformatore sui documenti.

Se state redigendo ora la specifica tecnica per una banchina, inviateci la composizione della flotta, la tensione e la frequenza della rete elettrica e il livello di corrente di cortocircuito presso la scatola di derivazione della banchina. Questi tre dati influenzano maggiormente la trasformatore per l'alimentazione da terra rispetto a qualsiasi altra pagina del capitolato d'appalto, e sono solitamente i tre che arrivano con maggiore ritardo. I nostri ingegneri forniranno per iscritto una potenza nominale, una raccomandazione sull'impedenza e un limite ammissibile per le armoniche, così che il pacchetto elettrico possa essere esaminato prima dell'avvio dei lavori edili.

Sull'autore questo articolo è stato redatto dal team di ingegneria di Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.), un produttore di trasformatori fondato nel 2007 e partner di joint venture di Eaton dal 2023. Il team progetta trasformatori immersi in olio, in resina colata e montati su basamento per applicazioni portuali, data center, reti elettriche e industriali, e supporta i clienti nella revisione delle specifiche prima della gara d’appalto. Per informazioni relative ai posti barca, contattare [email protected].