Analisi e problematiche dei quadri elettrici di media tensione

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Capitolo I 
 
Quadri Elettrici di Media Tensione: 
considerazioni generali e problematiche 
 
1.1 Premesse, definizioni e classificazioni 
Si intende per quadro elettrico un complesso di elementi strutturali di 
supporto, di apparecchi di manovra, di misura, di regolazione e di 
protezione completamente montati e interconnessi elettricamente, avente lo 
scopo di soddisfare particolari esigenze richieste dall’impianto nel quale è 
inserito. 
In particolare, i quadri elettrici di media tensione (MT) nascono all’inizio 
del 1900 per l’esigenza pratica di raggruppare gli apparecchi elettrici 
fondamentali, ma soltanto negli anni ’90 sono stati presi seriamente in 
considerazione dalla normativa del Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI). 
Attualmente la normativa in materia è estremamente rigorosa e non di rado 
si presentano situazioni per le quali risulta impossibile soddisfare le norme 
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in tempi brevi, per l’esigenza di effettuare prove di tipo [47] alla portata di 
pochi costruttori con consolidate basi tecniche ed economiche. 
L’evoluzione tecnologica di questi ultimi anni ha inciso notevolmente sia 
sulla forma e sulla struttura del quadro, sia sulle apparecchiature in esso 
contenute che hanno caratteristiche e peculiarità del tutto differenti rispetto 
a quelle del passato. Date le buone caratteristiche complessive dei quadri 
elettrici di MT, questi trovano sempre maggiori possibilità d’impiego in:  
• Stazioni elettriche 
• Grossi stabilimenti industriali 
• Centrali elettriche 
• Cabine primarie AT/MT (Alta Tensione / Media Tensione) 
• Cabine secondarie MT/BT (Media Tensione / Bassa Tensione) 
• Locali di comando, controllo e protezione. 
I quadri elettrici di potenza sono costituiti da uno o più sistemi di sbarre 
eserciti alla tensione nominale considerata (24 kV, 36 kV, ecc…) e dalle 
apparecchiature elettriche necessarie per il corretto funzionamento delle 
diverse linee collegate alle sbarre, siano esse alimentatori o utenze. I 
componenti fondamentali del circuito di potenza, connessi attraverso 
opportune connessioni alle sbarre principali sono: interruttori fissi o 
sezionabili, sezionatori principali, trasformatori di misura (riduttori di 
tensione, riduttori di corrente, divisori capacitivi), connessioni rigide o 
flessibili, isolatori portanti e isolatori passanti. I quadri elettrici di MT, 
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inoltre, comprendono anche dei circuiti ausiliari di servizio che non sono 
preposti al trasporto dell’energia elettrica, ma sono invece destinati al 
comando, controllo, misura, segnalazione, protezione, regolazione, ecc… 
I quadri prefabbricati di media tensione sono sempre con involucro 
metallico da collegare a terra, ciò li distingue nettamente dai quadri in BT 
che possono essere realizzati anche con materiali isolanti; l’involucro 
metallico rappresenta la parte esterna del quadro, che deve impedire il 
contatto accidentale del personale con parti in tensione o in movimento ed 
in più deve proteggere i dispositivi interni da indesiderati effetti esterni. 
Nel caso particolare in cui il quadro venga installato all’esterno, bisogna 
progettare l’involucro in maniera tale che all’interno del quadro sussistano 
le condizioni ritenute normali per le installazioni all’interno. 
Distinguiamo essenzialmente tre tipi di quadri: 
• Quadri di tipo protetto 
• Quadri blindati 
• Quadri a celle. 
I primi sono realizzati attraverso un unico involucro metallico oppure può 
essere previsto un involucro separato per ogni montante in cui è suddiviso 
il quadro; essi sono dotati di segregazioni interne e stanno trovando largo 
utilizzo nel campo della bassa tensione. 
I quadri blindati sono quelli di maggiore interesse applicativo, in quanto 
salvaguardano maggiormente l’incolumità delle persone; in essi i 
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componenti elettrici sono racchiusi in opportuni scomparti metallici 
completamente chiusi su tutti i lati (celle), separati e aventi diaframmi 
metallici che devono essere messi a terra. I diaframmi devono avere grado 
di protezione non inferiore a IP2X [54]; inoltre ogni apparecchio di 
manovra dovrà essere alloggiato singolarmente in una cella e lo stesso 
dicesi per i componenti posti a monte e a valle di questi. Ovviamente le 
celle devono prevedere soltanto le aperture necessarie per le connessioni 
principali, i cavi ausiliari, l’aria di raffreddamento e di ventilazione. 
Infine abbiamo i quadri a celle che sono dei quadri blindati che hanno 
uno o più diaframmi non metallici. 
Nelle figure seguenti sono riportate foto di quadri di MT di ultima 
generazione: 
 
Figura 1.1 
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   Figura 1.2    Figura 1.3 
 
Figura 1.4 
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1.2 Struttura di un quadro elettrico di Media Tensione 
I quadri elettrici di media tensione presentano una composizione 
modulare, con dimensioni unificate; ogni modulo presenta pannelli di 
chiusura, oblò d’ispezione ed eventualmente aperture per ventilazione e 
sfogo di sovrapressioni di gas o vapori prodotti da archi interni. 
Tutto il complesso deve essere realizzato con materiali in grado di 
tollerare sollecitazioni elettriche, meccaniche e termiche anche d’intensità 
molto elevata, come quelle che si presentano in condizione di guasto; il 
quadro deve anche tollerare le conseguenze dell’umidità derivate dalle 
condizioni d’esercizio normale. Nei riguardi della corrosione, i quadri 
devono essere protetti attraverso l’utilizzo di lamiere pretrattate (lamiere 
prezincate, ecc…) oppure mediante opportune verniciature delle superfici 
esterne. Altro requisito fondamentale della struttura di un quadro MT è 
senza dubbio la robustezza meccanica, che viene ottenuta utilizzando 
lamiere in acciaio di adeguato spessore; queste assumono profili lineari che 
vengono piegati ed innestati su elementi pressofusi angolari allo scopo di 
evitare giochi. 
La struttura di un quadro comprende segregazioni mediante barre o 
diaframmi che permettono di ottenere le seguenti condizioni:  
• Evitare il contatto con parti attive appartenenti a scomparti 
adiacenti 
• Diminuire la probabilità d’innesco accidentale di archi 
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• Evitare il passaggio di corpi estranei solidi da una cella del quadro 
ad una cella adiacente. 
Particolare attenzione bisogna prestare, in fase di progetto del quadro, 
alla disposizione e al dimensionamento delle aperture delle celle; infatti si 
deve evitare che i gas prodotti dalle apparecchiature di protezione contro il 
cortocircuito, vadano ad alterare il corretto funzionamento degli organi 
contenuti nelle altre celle. 
 
1.3 Vantaggi derivanti dall’utilizzo dei quadri di Media Tensione 
Negli ultimi anni si sta assistendo ad un notevole incremento della 
potenza richiesta dai sistemi di distribuzione delle grandi aree urbane, dei 
grossi stabilimenti industriali e in generale di tutte quelle infrastrutture che 
richiedono energia elettrica (navi da crociera, aeroporti, porti, basi militari, 
centri commerciali, ecc…); tale esigenza è accompagnata dalla necessità di 
garantire la massima continuità di esercizio. 
Nel contempo però crescono i vincoli ambientali perché spesso vi si 
presenta l’indisponibilità di usufruire di nuovi e più ampi locali per 
contenere le apparecchiature elettriche. Anche le problematiche inerenti 
all’impatto ambientale e alla sicurezza delle persone assumono sempre più 
un aspetto fondamentale, non trascurabile, nella società odierna. Il rispetto 
di questi limiti, non ha fatto però dimenticare la necessità di contenere i 
costi d’installazione e di gestione degli impianti; quest’ultimi dovranno poi 
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essere in grado di adeguarsi in tempi brevi ad eventuali ampliamenti o 
variazioni tipologiche dei carichi. In questo contesto alquanto restrittivo, 
trovano un’armoniosa locazione i quadri di media tensione in quanto 
offrono in sintesi i seguenti vantaggi fondamentali:  
• La sicurezza del personale 
• Le migliori garanzie sulla continuità di servizio 
• Il minore impatto ambientale 
• La massima facilità di manutenzione e d’installazione 
• Modularità 
• Possibilità di monitoraggio. 
Particolare attenzione è dedicata alla sicurezza del personale: i quadri sono 
provvisti di messa a terra della struttura e dei componenti, di una serie di 
blocchi meccanici che evitano qualsiasi possibilità di errata manovra e di 
una separazione metallica fra la cella delle sbarre principali e le altre celle 
la quale impedisce qualsiasi passaggio di corrente di fuga tra i morsetti 
d’uscita, anche in ambienti ad elevato grado di polluzione (acciaierie, 
industria chimica, ecc…). Anche l’apertura dello sportello di accesso alla 
cella linea, è possibile solo con sezionatore di terra chiuso e ciò si verifica 
quando l’interruttore di manovra-sezionatore è aperto. 
I quadri sono ora molto affidabili in quanto vengono totalmente 
assemblati e collaudati nella fabbrica di produzione; ciò assicura la 
massima garanzia circa la continuità d’esercizio. In caso di guasto al 
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quadro, l’elevata compattezza dello stesso consente d’intervenire in 
maniera mirata prevedendo dei tempi di sostituzione molto ridotti, al fine di 
limitare i danni conseguenti allo stesso. La rapidità dell’intervento evita 
l’impiego di cabine provvisorie trasportabili, le quali comportano un costo 
per l’occupazione del suolo pubblico e di conseguenza tempi lunghi per 
l’ottenimento dei relativi permessi. 
Le dimensioni estremamente ridotte dei quadri ne consentono l’utilizzo 
in locali in cui lo spazio a disposizione è molto limitato; addirittura, al fine 
di ridurre l’impatto ambientale, sono possibili soluzioni che prevedono 
l’inserimento dei quadri di MT in contenitori di calcestruzzo, che nei casi 
estremi possono essere interrati totalmente. Nelle figure 1.5 e 1.6 sono 
riportati casi del genere:  
 
Figura 1.5 
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Figura 1.6  
 
I tempi d’installazione dei quadri odierni sono estremamente ridotti, 
grazie alla loro totale prefabbricazione ed all’uso di terminali cavi 
estraibili; sotto quest’ottica gli scomparti sono dotati di golfari che 
facilitano il sollevamento e lo spostamento. Gli scomparti sono 
comodamente accessibili dal fronte del quadro con apparecchiature di 
tensione aperte e lame di terra chiuse; gli oblò posti su di essi, permettono 
un’agevole ispezione degli organi di manovra e protezione. 
I quadri di MT possono essere manutenuti durante il servizio ordinario, 
per mezzo delle segregazioni metalliche tra le celle che consentono di 
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sostituire componenti elettrici (fusibili, relè, ecc…), quando il quadro è in 
tensione. 
Data la natura modulare, i quadri consentono una grande flessibilità 
all’impianto nel quale sono inseriti, permettendo ampliamenti in cabine 
anche già installate; la modularità consente parallelamente di realizzare gli 
schemi elettrici più svariati.  
L’obiettivo di un’attenta attività di monitoraggio dei quadri MT, 
effettuata soprattutto dagli enti preposti alla distribuzione dell’energia 
elettrica, è il miglioramento della qualità del servizio aumentandone la 
continuità e abbattendo i costi di gestione. Le problematiche che riguardano 
il telecontrollo e la diagnostica dei quadri di MT, sono essenzialmente 
legate all’interfacciamento fra i vari dispositivi elettronici, elettrici ed 
elettromeccanici contenuti al loro interno; questo è motivo di ricerca e 
studio da parte delle maggiori aziende che operano nel settore elettrico. 
 
1.4 Il quadro elettrico nel contesto dell’impianto 
Affinché un quadro elettrico trovi un corretto e efficace inserimento in 
un impianto, occorre conoscere tutti i dati tecnici relativi al progetto dello 
stesso come: la tensione d’esercizio, lo schema unifilare dell’impianto, 
eventuali esigenze ambientali e di sicurezza, l’entità delle correnti di guasto 
presunte e le tipologie dei carichi alimentati dal quadro. 
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La tensione d’esercizio dell’impianto è alla base di un buon 
dimensionamento del quadro, in quanto in funzione di essa viene scelta la 
tensione nominale delle apparecchiature elettriche, che non deve essere 
inferiore alla massima tensione d’esercizio prevista. Anche i livelli 
d’isolamento e le protezioni da sovratensioni, dipendono dal valore della 
tensione d’esercizio; sono ammesse in genere variazioni tensionali non 
superiori al  ±15%.  
La scelta del tipo di schema elettrico del quadro è evidentemente 
influenzata dallo schema elettrico generale dell’impianto in cui va inserito; 
basti pensare ad esempio agli impianti industriali nei quali il quadro deve 
svolgere molteplici funzioni, che vanno dalla ripartizione dell’energia 
elettrica nelle varie aree dell’industria, al controllo e comando degli 
utilizzatori, all’alimentazione di carichi richiedenti particolari esigenze di 
continuità. 
Qualora le condizioni dell’ambiente in cui è sito il quadro di MT siano 
particolarmente umide oppure soggette a pericolo d’incendio, possono 
essere presi specifici provvedimenti tra cui quello di aumentare le distanze 
d’isolamento in aria; se nel locale transitano mezzi pesanti o pericolosi, 
bisognerà invece utilizzare opportuni schermi di protezione. 
Al fine di conoscere il potere d’interruzione dell’interruttore posto 
all’interno del quadro e per dimensionare lo stesso correttamente dal punto 
di vista elettromeccanico-termico, occorre determinare il valore della 
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corrente di guasto, che dipende dal punto in cui questo avviene. Nel caso in 
cui il guasto si presenta a monte del quadro, le correnti di cortocircuito che 
interessano i circuiti principali sono dovute alle macchine, ai condensatori 
di rifasamento, ai generatori, ecc…, posti a valle; in questo caso si rileva 
pertanto un abbassamento della tensione sulle fasi guaste ed una variazione 
di tensione sulle fasi sane. Contrariamente se il guasto (cortocircuito bifase 
- bifase a terra - trifase) si verifica a valle del quadro MT, allora i circuiti 
principali saranno attraversati da una corrente il cui valore è stabilito dalle 
caratteristiche della rete a monte che sono: potenza di cortocircuito (P
cc
) 
dichiarata dalla società fornitrice, tensione d’esercizio, stato del neutro, 
valore della corrente di guasto a terra. 
La conoscenza dettagliata dei carichi è fondamentale per capire le 
condizioni di funzionamento del quadro e quindi stabilirne le sollecitazioni 
alle quali sarà è soggetto. 
 
1.5 Influenza dell’ambiente di installazione sul progetto del quadro  
Media Tensione 
Prima di procedere al progetto materiale di un quadro di media tensione, 
occorre conoscere nel dettaglio le condizioni ambientali nelle quali il 
quadro stesso sarà collocato, al fine di evitare errate ipotesi d’esercizio che 
potrebbero alterare il corretto funzionamento dei vari componenti. I fattori 
da prendere in considerazione possono essere così elencati:  
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• Temperatura media dell’ambiente d’installazione 
• Presenza di acqua oppure umidità 
• Presenza eccessiva di polvere o di corpi solidi estranei 
• Possibilità di urti e vibrazioni 
• Possibilità d’intrusione di corpi estranei. 
La temperatura media dell’ambiente d’installazione, è ricavata attraverso 
dati statistici forniti dal committente del quadro ed è di fondamentale 
importanza per fissare in maniera opportuna i livelli d’isolamento, le 
modalità di raffreddamento termico e la capacità d’interruzione. 
La presenza d’acqua può essere dovuta a pioggia, processi di stillicidio e 
fenomeni di condensazione; essa può dar luogo a processi accelerati di tipo 
corrosivo che riducono il tempo di vita medio degli apparati metallici ed in 
più, se le superfici esterne degli isolanti sono umide, si potrebbe verificare 
un abbassamento del livello d’isolamento. E’ altrettanto importante capire 
le escursioni dell’umidità relativa, infatti, quando queste superano i limiti 
imposti dalle norme CEI, l’aria interna agli scomparti potrebbe 
condensarsi. Sperimentalmente [15], ad esempio, si nota che in 
corrispondenza di uno sbalzo di umidità relativa di 10 g/m
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, avvenuto in 
circa mezz’ora, in uno scomparto di un quadro di media tensione del 
volume di 3 m
3 
 in cui siano previsti mediamente 20 ricambi d’aria all’ora, 
si ha la condensazione di circa 100 g di acqua che come già detto risulta 
essere dannosa. La stima approssimata delle variazioni di umidità relativa