Trasformatori elettrici, cosa dice la normativa tecnica

Quando si parla di trasformatori elettrici, è essenziale conoscerne la normativa di riferimento e saper gestire perdite di potenza, soprattutto se lo scopo è ottenere risparmio energetico.

In materia di progettazione e costruzione dei trasfor­matori a basse perdite, oltre vent’anni fa, la normativa tecnica nazionale aveva volto lo sguardo verso il risparmio ener­getico e successivamente anche verso l’impiego di materiali di minor impatto ambientale.

Hanno infatti fatto seguito, in tal senso, la convergenza tecnica in sede CENELC, il recepimento incentivante dei criteri di effi­cientamento da parte delle au­torità regolatorie del mercato elettrico dell’energia (ARERA) e le decisioni comunitarie con l’emissione di specifiche Diret­tive e regolamenti attuativi per disciplinarne la commercializ­zazione; provvedimenti sempre più attuali alla luce del crescen­te costo dell’energia.

Le perdite dei trasformatori

In un generico componente d’impianto, le perdite di potenza attiva sono date dalla differenza fra la potenza in entrata e quella in uscita. Le perdite di potenza provocano un sovradimensionamento degli stadi a monte mentre quelle di energia incrementano il consu­mo delle fonti primarie.

A livello dello stadio di trasfor­mazione MT/BT, si considerano le perdite nel rame e addizionali (meglio dette perdite a carico – PK) dipendenti dal quadrato del­la corrente di carico e le perdite nel ferro (o perdite a vuoto – Po) proporzionali al quadrato della tensione.

Nella figura sottostante è rappresentato il circuito equivalente semplifica­to del trasformatore inteso come quadripolo, dove ¯Zt e ¯Yo sono l’im­pedenza e l’ammettenza equiva­lenti che si possono ricavare dal­le prove di collaudo, i cui risultati si esprimono preferibilmente con numeri percentuali al fine di ren­derli indipendenti da un determi­nato avvolgimento.

Le perdite Pk e Po, in W, sono espresse generalmente in per­centuale della potenza nominale. Le prime sono perdite per effet­to joule, dovute principalmente alla resistenza degli avvolgimen­ti primari e secondari, mentre le seconde derivano dalla compo­nente in fase, con la tensione ¯V1, della corrente a vuoto. Esse dipendono dal tipo di mate­riale e dalla tipologia dei lamie­rini (più o meno a basse perdite) che costituiscono il nucleo ma­gnetico.

La riduzione delle perdite è con­seguita agendo sulla geometria del nucleo e in particolare:

• sul materiale (rame, alluminio, ecc.) e sulla forma dei condut­tori (filo, lamina, piattina, ecc.);
• sulla qualità del materiale ma­gnetico di tipo tradizionale (la­mierato d’acciaio al silicio a grani orientati di diverso pre­gio e permeabilità magnetica). È diffuso il ricorso alla costru­zione di trasformatori con nu­cleo magnetico in materiale a­morfo.

Si può quindi dire che la riduzio­ne delle perdite è inversamente proporzionale alla massa com­plessiva del trasformatore.

L’energia perduta relativa alle perdite a vuoto è indipendente, almeno per i trasformatori in­stallati negli impianti della distri­buzione, dal funzionamento, nel senso che lì si considera perma­nentemente inseriti e quindi con 8.760 ore annue di utilizzazione. Diversamente per la determina­zione dell’energia perduta per ef­fetto joule, occorre considerare il diagramma di carico della poten­za erogata.

Incidenza percentuale

Il problema delle perdite riguar­da sia l’utente utilizzatore, in par­ticolare quello industriale, che il gestore di rete. Per convenzione, le perdite so­no quantificate percentualmente sull’energia consumata dal clien­te. Tale percentuale è definita da ARERA all’art. 76 del TIS e at­tualmente è pari al 10,4% per le utenze in bassa tensione e al 3,8% per quelle in media tensio­ne.

L’incidenza percentuale delle perdite di rete è aggiornata con cadenza triennale da ARERA. La stessa offre, a supporto del­la qualità del servizio e in ottica ambientale, degli incentivi per tutte le imprese distributrici che attuano delle strategie volte a contenere le perdite di rete. Infatti, ogni 3 anni, la stessa au­torità fissa i nuovi obiettivi che devono essere raggiunti per ren­dere più efficienti le reti e dimi­nuire le perdite.

Sono infatti riconosciute maggio­razioni della remunerazione sul capitale investito del 2% all’an­no per 8 anni negli investimenti di installazione di nuovi trasfor­matori MT/BT e la sostituzione di quelli esistenti se di classe con perdite a carico ridotte Ak e al­meno di classe Bo per le perdite a vuoto, secondo la classificazione della norma CEI EN 50464-1.

L’evoluzione del quadro normativo

Nel nostro Paese, una prima u­nificazione dei trasformatori, che prevedeva una doppia serie di macchine, è stata emessa con una tabella CEI-UNEL sul finire degli anni Ottanta. È seguita poi la Norma CEI 14-13 (1998-04; fa sc. 4150R), rimasta in vigore fino al 2011, con cui sono stati normati i trasformatori a basse perdite e conseguentemente le prime va­lutazione dei punti di convenien­za economica nel loro impiego.

Con la Norma CEI EN 50464-1:2007-08 (CEI 14-34) “Trasfor­matori trifase per distribuzione immersi in olio a 50 Hz, da 50 kVA a 2500 kVA con tensione massi­ma per il componente non supe­riore a 36 kV. Parte 1: Prescrizio­ni generali” si costituisce l’unifi­cazione, in ambito CENELEC, dei trasformatori MT/BT in olio ed i principali accessori, che standar­dizza macchine efficienti a bassi valori di perdite.

Per i trasformatori in olio veni­vano introdotte quattro classi di perdite dovute al carico Pk in W a 75 °C per Um ≤ 24 kV e le cinque classi di perdite a vuoto Po, sem­pre in W. Le classi Dk, Ck e Bk presentavano valori più elevati rispetto a quelli previsti dai trasformatori a perdi­te ridotte rispondenti alla norma CEI 14-34, mentre con la classe Ak si conseguivano risparmi fino al 14% per i trasformatori di poten­za fino a 630 kVA.

Per trasformatori di maggiore potenza (1000 kVA) il risparmio arrivava fino a circa il 16%. Si ri­levava anche coincidenza fra la classe di perdita Ck e i corrispon­denti valori previsti per i trasfor­matori a perdite normali. Molto più significative erano i guadagni nelle perdite di poten­za a vuoto che arrivavano fino al 42% per la classe Ao e 31% per la classe Bo.

Normativa green

In sostituzione delle Norme CEI 14-12:1998-04 e CEI 14-18:1997-12, rimaste applicabili fino al 02/01/2014, era prodotta pure la normativa green dei trasfor­matori in resina (a secco), CEI EN 50541-1 (CEI 14-52).

Nel frattempo, era emanata la Direttiva 2009/125/CE del Par­lamento e del Consiglio Euro­peo, relativa all’istituzione di un quadro per l’elaborazione di specifiche per la progettazione ecocompatibile dei prodotti con­nessi all’energia, da cui il Regola­mento UE n. 548/2014.

Quest’ultimo, provvedimento prevedendo nuovi valori di per­dite, ha reso necessario un ade­guamento tecnico normativo che è avvenuto con la pubblicazio­ne della norma CEI EN 50588-1 “Trasformatori medi a 50 Hz, con tensione massima per il compo­nente non superiore a 36 kV, di potenza da 25 kVA a 40 MVA con due avvolgimenti ed una tensio­ne massima per il componen­te di 36 kV” che riguarda sia i trasformatori a secco sia quelli in olio.

Le Norme CEI EN 50464-1:2007 e CEI EN 50541-1:2011 sono rima­ste applicabili fino al 25/06/2018.

Il Regolamento UE n. 548/2014

Si applica ai trasformatori elettrici con una potenza mini­ma di 1 kVA utilizzati nelle reti di trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica e nell’uten­za industriale, di cui sono stabi­lite:

• le perdite massime a carico e a vuoto che devono essere ri­spettate dalle varie taglie e ti­pologie (tabella), con relativo obbligo d’informazione;
• l’indice di efficienza di picco (PEI Peak-Efficiency-Index) per i trasformatori medi di potenza > 3.150 kVA e grandi;
• l’obbligo della marcatura CE in quanto prodotti connessi con l’energia.

I trasformatori sono suddivisi in:

• piccoli (con tensione massima d’uscita uguale o inferiore a 1,1 kV);
• medi (con tensione massima superiore a 1,1 kV e ugual in­feriore a 36 kV con potenza compresa fra 5 kVA e 40 MVA (≥ 5 kVA e < 40 MVA);
• grandi (per tensioni massima superiore a 36 kV, di potenza pari o superiore a 5 kVA oppure di qualsiasi tensione massima e potenza superiore a 40 MVA).

In particolare, ci soffermiamo sui trasformatori medi con un avvolgimento a tensione mas­sima Um ≤ 24 kV e l’altro con Um ≤ 3,6 kV.

Sono esclusi dal campo d’appli­cazione i trasformatori per im­pieghi particolari (es: per for­ni, specifici per saldatrici; per formazione di neutro, per appli­cazioni ferroviarie ecc.).

Le perdite massime da rispettare fanno riferimento alla data di immissione sul mercato, con due tempistiche differenti:

• fase 1: dal 01/07/2015;
• fase 2: dal 01/07/2021.

Nella prima fase tutti i trasfor­matori immessi sul mercato do­vevano avere perdite a vuoto al­meno di classe Ao e perdite a ca­rico almeno di classe Ck, se isola­ti in olio di potenza ≤ 1000 kVA e Bk se di potenza > 1000 kVA; per quelli a secco le perdite massime non dovevano superare la classe Bk se di potenza ≤ 630 kVA e Ak se di potenza > di 630 kVA.

A partire invece dal 01/07/2021 per tutti i trasformatori deve es­sere:

• perdite a vuoto inferiori del 10% rispetto alla classe Ao, ossia di classe AAo;
• perdite a carico solamente di classe AK.

Naturalmente gli obblighi di cui sopra riguardano il fabbrican­te che a far data dal 01/07/2015 non poteva e non può oggi pro­durre macchine che non rispet­tano i requisiti minimi del Re­golamento e non il cliente uti­lizzatore che può mantenerle in esercizio, installarle o anche ri­venderle. Il fabbricante che si ritrova con delle giacenze ante Regolamen­to può solo commercializzarle fuori dall’area della CEE.

È evidente l’obiettivo – atteso che il mercato delle riparazioni è destinato fisiologicamente ad esaurirsi – abbassare sempre più nel tempo il livello medio delle perdite del parco trasformatori esistenti in servizio.