Trasformatore per la ventilazione delle gallerie: specifica delle unità per gallerie stradali e trasporti sotterranei

Il guasto dell’impianto in una galleria stradale quasi mai ha origine nel circuito dell’illuminazione. Ha origine nei ventilatori. Un ingegnere addetto alla messa in servizio ci ha descritto la sequenza con termini semplici: il primo gruppo di ventilatori a getto parte regolarmente, il secondo gruppo funziona bene, il terzo gruppo entra in funzione e il bus a 480 V subisce un calo di tensione, l’inverter scatta per sottotensione e la ventilazione passa in condizione di guasto ancor prima che possa iniziare la prova con fumo. Il trasformatore per la ventilazione delle gallerie era stato dimensionato sulla base di un elenco dei carichi. Nessuno aveva modellato l’avviamento.

Questo è l’aspetto problematico dell’alimentazione delle gallerie: nella maggior parte dei casi il carico è modesto — poche centinaia di chilowatt per l’illuminazione, una manciata di ventilatori, alcune pompe. Per alcuni secondi, più volte al giorno, però, non è affatto modesto. E lo stesso impianto che sopporta l’avviamento di un motore deve anche funzionare regolarmente mentre un incendio divampa a pochi metri di distanza. Armoniche VFD sui gruppi di ventilazione e continuare a funzionare mentre un incendio divampa a pochi metri di distanza.

 

Quali carichi effettivi gravano su una sottostazione di galleria

Una galleria è una piccola industria allungata lungo un chilometro di calcestruzzo. La ventilazione domina il carico elettrico, ma non è l’unico carico, e i diversi carichi si comportano in modo completamente diverso. Firmare un singolo valore in kVA senza distinguerli è la causa principale degli errori di specifica.

Carico	Intervallo Tipico	Dovere	Le conseguenze sul dimensionamento
Ventilatore a getto (assiale, alimentato direttamente)	22–250 kW	Avviamento/arresto graduale, centinaia di cicli all’anno	Corrente di spunto e caduta di tensione sulla barra BT
Ventilatore di ventilazione di galleria	200-1.000 kW	Continuo, reversibile per l’estrazione fumi	Motore singolo più grande; di solito determina il limite inferiore di dimensionamento
Attuatori e controlli per serrande tagliafuoco	inferiore a 10 kW	Solo in emergenza, deve mantenere la posizione	Carico ridotto, ma condivide lo stesso quadro elettrico e il circuito UPS
Illuminazione a LED per gallerie e illuminazione di emergenza	30-350 kW	Continuo, funzionamento al 100%	Ricco di armoniche; aumenta la corrente nel neutro
Pompe di drenaggio per vasche di raccolta	15–110 kW	Ambiente intermittente e umido	Avviamento contro una colonna d’acqua; rischio di infiltrazione di umidità
Ventilazione e deumidificatori per cabine elettriche	10–60 kW	Continuo	Aumenta la temperatura ambiente in cui è installato il trasformatore
SCADA, sistemi CCTV, segnaletica	inferiore a 20 kW	Continuo	Requisito di funzionamento continuo durante un evento incendio

Le linee guida progettuali già trattano queste tematiche come discipline distinte. Il FHWA Road Tunnel Design Guidelines (https://www.fhwa.dot.gov/publications/focus/05nov/03.cfm) dedicano sezioni separate a ventilazione, illuminazione, precauzioni antincendio e progettazione antisismica — ma tutti questi aspetti ricadono su un unico profilo di carico, e normalmente un singolo trasformatore deve sopportarne il risultato complessivo.

 

L’avviamento dei motori stabilisce il valore minimo, non il carico di esercizio

Il carico di esercizio è il dato più semplice da calcolare. Sommando i carichi dei ventilatori, dell’illuminazione e delle pompe, applicando un fattore di contemporaneità, un gruppo da 1.500 kVA appare generoso rispetto a un tunnel da 900 kVA. Poi però occorre considerare l’avviamento.

Un motore elettrico a induzione standard di tipo NEMA Design B assorbe circa sei volte la corrente a pieno carico durante un avviamento diretto. Prendiamo ad esempio un motore per ventilatore a getto da 250 kW a 480 V: la corrente a pieno carico è circa 300 A, quindi la corrente di rotore bloccato è di circa 1.800 A, e rimane tale per i due-quattro secondi necessari al ventilatore per raggiungere la velocità di regime. Se si avvia una seconda batteria di ventilatori mezzo secondo dopo, il trasformatore sopporta un carico che non si verificherà mai più durante il normale funzionamento. È proprio questo valore a determinare la potenza nominale indicata sulla targhetta.

Due parametri determinano se l’avviamento è accettabile: l’impedenza percentuale del trasformatore e l’impedenza della linea di alimentazione. Un trasformatore con impedenza del 5,75% limita comodamente la corrente di cortocircuito, ma provoca un calo di tensione più accentuato ai morsetti del motore. Un trasformatore con impedenza del 4% riduce tale calo di tensione, ma aumenta la corrente di cortocircuito presunta, che dovrà essere gestita dalla capacità di interruzione dell’interruttore BT e dal rinforzo meccanico del quadro. Su una linea di alimentazione lunga 700 m che arriva a una sala ventilatori posta nel mezzo di una galleria, l’impedenza del cavo può causare una caduta di tensione maggiore rispetto a quella provocata dal trasformatore stesso.

Esperienza pratica: eseguiamo il calcolo di avviamento prima che un preventivo per tunnel lasci lo stabilimento; quando un cliente invia soltanto un elenco dei carichi, rispondiamo con una sola domanda: qual è il motore più grande, come viene avviato e quanto è lungo il cavo che lo collega? Questa singola risposta ha modificato la potenza nominale specificata in più progetti per tunnel rispetto a qualsiasi altra voce nel programma.

 

Le armoniche dei variatori di frequenza modificano il regime di funzionamento di un trasformatore per la ventilazione dei tunnel

Quasi ogni nuovo ventilatore a getto è azionato da un variatore di frequenza, poiché un ventilatore che funziona al 30% della velocità durante le ore di basso carico ammortizza il costo del variatore già solo grazie al risparmio energetico. Il variatore modifica inoltre ciò che il trasformatore rileva ai suoi morsetti secondari.

Un azionamento a sei impulsi assorbe una corrente non sinusoidale con una distorsione armonica totale che di norma si attesta tra il 25% e il 45% all’ingresso. Lo standard IEEE 519 fissa al 5% il limite massimo di distorsione della tensione su un quadro elettrico con tensione inferiore a 69 kV, e restringe ulteriormente il limite di distorsione della corrente al diminuire della corrente di cortocircuito disponibile. Le gallerie si trovano nella parte più critica di tale curva: alimentatori lunghi, sorgenti relativamente deboli e diversi azionamenti alimentati da un unico quadro secondario.

La conseguenza è che un trasformatore destinato ad alimentare gli azionamenti per la ventilazione in galleria non può essere dimensionato sulla sola base della potenza apparente espressa in kVA. La corrente armonica aggiunge perdite parassitarie ed eddy-current che innalzano la temperatura del punto più caldo dell’avvolgimento oltre quanto prodotto da un carico sinusoidale alla medesima potenza apparente. È per questo motivo che un trasformatore in resina trasformatore per un progetto di galleria viene spesso ordinato con un indice K (K-factor), con un neutro sovradimensionato o con un avvolgimento a triangolo in grado di intrappolare le armoniche di ordine triplo, insieme a una classe termica degli avvolgimenti che preveda un margine di sicurezza rispetto al carico di progetto.

La nostra regola empirica per i quadri elettrici di galleria alimentati da azionamenti, dove Armoniche VFD dominare: prendere la capacità di azionamento connessa, aggiungere un margine per le perdite armoniche e specificare la classe di aumento di temperatura dell’avvolgimento un livello superiore rispetto al requisito minimo. Il costo aggiuntivo è incluso nel preventivo. Il costo dell’errore si manifesta nel settimo anno.

 

 

La sicurezza antincendio determina la tecnologia, non il prezzo

Chiedetevi perché quasi ogni sottostazione in galleria utilizza apparecchiature a secco e la risposta non è l’efficienza. È la sicurezza antincendio. NFPA 502 (https://www.nfpa.org/codes-and-standards/nfpa-502-standard-development/502 stabilisce i requisiti di protezione antincendio e di sicurezza antincendio per le gallerie stradali, i ponti e altre autostrade a accesso limitato, trattando la ventilazione come una funzione critica per la sicurezza delle persone, che deve continuare a funzionare anche durante un incendio.

Questo requisito si ripercuote direttamente sul trasformatore. Un’unità ad olio collocata all’interno del volume della galleria comporta un liquido infiammabile, un contenimento secondario, una camera di contenimento e ulteriori barriere antincendio, quindi la maggior parte dei progettisti evita la questione e specifica una trasformatore in resina all'interno del foro o in una stanza adiacente. Gli standard di prodotto sono inequivocabili riguardo ai requisiti che tale unità deve soddisfare: IEEE C57.12.01 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.12.01/6775/) stabilisce i requisiti generali per i trasformatori di distribuzione e di potenza di tipo a secco, mentre la norma IEC 60076-11 riguarda i trasformatori di potenza di tipo a secco fino a 36 kV.

Un particolare viene trascurato più spesso di ogni altro: il trasformatore è tanto affidabile quanto il suo alimentatore. Qualora il circuito di ventilazione di emergenza debba mantenere l’integrità del circuito durante un evento incendio, cavo e giunzioni devono resistere alle stesse condizioni. Un’unità in resina colata autoestinguentesi cablata con cavo standard rappresenta un’incongruenza comune e costosa.

 

L’ambiente delle gallerie agisce silenziosamente sugli apparecchi

L'aria nei tunnel è umida, polverosa e leggermente corrosiva. L'umidità relativa superiore all'85% è comune all'interno di un pozzo di ventilazione; la polvere derivante dai freni e dai pneumatici si deposita su ogni superficie orizzontale, e in un tunnel costiero ai suddetti elementi si aggiungono i cloruri. La temperatura ambiente nel pozzo può raggiungere valori compresi tra 40 e 45 °C durante l'estate, misurati nella posizione effettiva del trasformatore e non all'imbocco del tunnel.

Avvolgimento incapsulato in resina gestisce tale condizione meglio di un avvolgimento asciutto avvolto, perché nella trasformatore in resina la colata sigilla l'avvolgimento contro l'ingresso di umidità. La specifica deve comunque adeguarsi alle condizioni ambientali: riscaldatori anticondensa, scatola morsetti con grado di protezione IP e temperatura ambiente di progetto riferita al pozzo, non alla media climatica regionale.

Anche l'altitudine è un fattore rilevante. A 1.500 m di quota, un trasformatore perde circa il 9% della densità dell'aria disponibile per il raffreddamento a convezione; pertanto, un'unità che supera il test di innalzamento di temperatura a livello del mare non è automaticamente accettabile su un allineamento montano. Chiedere al fornitore di indicare il de-rating applicabile alle condizioni ambientali e all'altitudine del vostro sito, fornendo anche il calcolo specifico anziché una curva generica — è lo stesso controllo che applichiamo a ogni trasformatore per la ventilazione delle gallerie vi forniamo un preventivo.

 

Cosa chiediamo prima di formulare un preventivo

Cinque elementi determinano la potenza nominale, il prezzo e la data di consegna per un ordine di trasformatori per galleria. Se tali elementi sono chiaramente specificati nella richiesta, il preventivo viene di solito restituito correttamente già alla prima emissione:

• Profilo di carico, con evidenziato il motore di potenza maggiore. Indicare il metodo di avviamento e la lunghezza del cavo dalla sottostazione. Tutti gli altri dati derivano da questa voce.
• Tipo e numero di azionamenti. A sei impulsi, a dodici impulsi o con front-end attivo, più la corrente di cortocircuito disponibile sul quadro BT — questo definisce il margine armonico.
• Progettato per soddisfare rigorosi quadri normativi globali, questo sistema industriale utilizza morsetti completamente certificati e componenti premium per la protezione interna della potenza, garantendo la sicurezza completa dell'apparecchiatura. Ambiente di progettazione, altitudine, umidità e categoria sismica applicabile all’allineamento.
• Strategia antincendio. Apparecchiature all’interno dell’involucro del tunnel, in una cabina elettrica dedicata o a distanza — la risposta determina se utilizzare trasformatori a secco o con isolamento liquido.
• Certificazione e obiettivo di efficienza. Relazioni di prova UL, CSA o IEC e il livello di efficienza richiesto dal paese di destinazione.

Ryan Electric produce trasformatori in resina e ad immersione in olio per progetti infrastrutturali e industriali in Nord America, Medio Oriente e Asia Sudorientale. Il nostro stabilimento di Jiangsu copre 120.000 m² ed è dotato di oltre 180 unità di attrezzature per la produzione e i test; il portafoglio di certificazioni include UL, CSA, IEEE, DEKRA e CNAS. Dal 2023 operiamo come partner congiunto di Eaton, il che ha sottoposto la nostra documentazione sui test e sulla qualità a un processo di audit esterno anziché a una dichiarazione autonoma. Un ordine per tunnel è trattato esattamente come un ordine per data center: i dati dei test di routine, i registri dell’aumento di temperatura e i file di certificazione vengono spediti insieme all’unità.

 

Inviare lo schema di carico, non solo il valore in kVA

Il numero che determina un trasformatore per la ventilazione delle gallerie raramente è il primo numero sulla lista di carico. Invii ai nostri ingegneri il programma di carico, il motore più grande, il tipo di azionamento e le condizioni del sito, e riceverà in cambio una valutazione, un margine armonico e un calcolo di derating che potrà difendere durante la revisione progettuale, anziché una targhetta identificativa scelta per regola empirica.

Informazioni sull'Autore: Questo articolo è stato redatto dal team di ingegneria di Ryan Electric, produttore di trasformatori nello Jiangsu, Cina, e partner congiunto di Eaton dal 2023, che fornisce trasformatori in resina e ad olio certificati UL, CSA e IEC per progetti di gallerie, metropolitane, data center e infrastrutture elettriche in Nord America, Medio Oriente e Asia Sudorientale.