UCM
monitoraggio cavi interrati di media tensione
La necessità
Le reti elettriche di media tensione (da 1kV a 35kV) sono utilizzate per il trasporto di energia fra le sottostazioni ad alta tensione e le cabine di trasformazione a bassa tensione diffuse capillarmente sul territorio in aree residenziali ed industriali o direttamente all’interno di siti industriali di piccole e medie dimensioni.
La rete di trasporto energia in media tensione può essere aerea (sostenuta da pali o tralicci) o sotterranea (cavi interrati in trincea) in base alle caratteristiche e requisiti dei luoghi da servire o attraversare. Nei grandi siti urbani la rete elettrica in media tensione transita, per ovvie ragioni, sotto la superficie del terreno a profondità tipicamente variabili da 0,9mt a 1,2mt.
I cavi (trifase) di media tensione, ed i dispositivi di giunzione fra i vari segmenti della rete,
vengono comunemente interrati direttamente in trincea con varie tecniche di posa e copertura atte a minimizzare i possibili stress meccanici ed a massimizzare l’effetto di dissipazione termica prodotto dal terreno circostante.
Le condizioni del terreno e la sua aderenza al cavo ed ai giunti interrati, sono quindi un fattore determinante per la corretta dissipazione del calore prodotto dal cavo e dai giunti.
Studi recenti sulla dipendenza dalle condizioni ambientali e di carico dei cavi e giunti interrati, evidenziano una forte correlazione fra il loro tasso di guasto e situazioni climatiche e di carico sfavorevoli.
“Nel periodo estivo possono verificarsi condizioni estreme associate alle ondate di calore, che inducono notevoli stress termici sui componenti della rete di distribuzione interrata aumentandone la probabilità di guasto. Il fenomeno interessa ogni anno nei mesi estivi diverse città italiane dove il significativo incremento della domanda per raffrescamento implica un notevole stress sui giunti dei cavi interrati. Ne è un esempio la città di Milano, per i quali si dispone dei dati di guasto forniti dalla società di distribuzione Unareti dove il rateo di guasto è particolarmente rilevante tra i mesi di giugno e agosto.
- l cambiamenti climatici determinano un aumento in frequenza delle ondate di calore, ma anche in intensità e durata
- Aumento della temperatura del suolo molto elevata nei centri urbani a causa della presenza di una superficie estremamente impermeabile e bituminosa (forte riscaldamento e essicamento degli strati di suolo sottostanti alla superficie urbana). Amplificazione delle ondate di calore per effetto delle isole di calore nei centri urbani
- Tutto ciò determina un peggioramento dello scambio termico tra i cavi e il terreno e quindi un aumento della probabilità di condizioni critiche specie per i giunti. Aumento resistività termica del terreno
- Il surriscaldamento del cavo determina anche un precoce invecchiamento dell’isolante con conseguente aumento di probabilità di cedimento nell’isolamento
- Situazione assai grave anche per le sollecitazione dovuto all’aumento di carico a causa dell’elevata domanda di energia per raffrescamento” (fonte RSE SpA)
Il danneggiamento di un cavo interrato di media tensione (perdita isolamento o scoppio di un giunto) provoca grandi disagi e difficoltà di ripristino, dovendo ricercare ed identificare il punto di rottura sotterraneo per procedere poi con opere di scavo più o meno estese per la sostituzione delle parti danneggiate. I disagi di tali operazioni di ricerca e scavo si amplificano ulteriormente quando il guasto avviene in zone urbane altamente popolate o in centri storici cittadini.
Sono in corso ricerche e sperimentazioni finalizzate a modellare meglio il comportamento delle varie tipologie di cavi e giunti interrati in relazione alle condizioni del terreno ed alle possibili tecniche di posa e copertura degli stessi. Altri modelli comportamentali sono stati ricavati dall’analisi dei dati statistici metereologici e di guasto della rete.
L’Ente di ricerca che stà svolgendo questo tipo d’analisi e modellazione ci ha espresso la necessità di un sistema di monitoraggio attivo che tracci con continuità le grandezze significative per lo studio del fenomeno. Tale dispositivo potrà divenire anche un efficace sistema di monitoraggio in campo che consentirà di conoscere in tempo reale le effettive condizioni di lavoro dei cavi interrati e gestire in maniera ottimale le risorse della rete di distribuzione di media tensione, massimizzandone la ‘portata’ energetica e minimizzandone i rischi di guasto per sovra riscaldamento delle sue componenti.
Le necessità espresse hanno portato iSEMAR alla definizione di un dispositivo IoT espressamente realizzato per questo tipo d’applicazione.
Le sfide progettuali
- Rilevamento della temperatura di lavoro del cavo o giunto interrato della linea di media tensione
- Rilevamento della temperatura e dell’umidità del terreno (livello tensiometrico) in prossimità del cavo interrato
- Misura della corrente in transito sulle tre fasi del cavo mediante Rogowski apribili
- Comunicazione radio bidirezionale in tecnologia LPWAN (NB-IoT e LoRaWAN)
- Alimentazione da batteria ricaricabile integrata con elevata autonomia operativa (design ulta low-power)
- Ricarica batteria tramite energy harvesting magnetico (TA apribile) dal cavo monitorato
- Grado IP e protezione da agenti chimici per utilizzo sotterraneo
- Piattaforma IoT per acquisizione, processing e storicizzazione dati e generazione allarmi e notifiche
- Portale WEB dedicato per visualizzazione, esportazione ed analisi dati storici e real-time
La realizzazione
I dispositivi UCM01 sono dei sistemi IoT per il monitoraggio attivo dei principali parametri operativi dei cavi o giunti interrati della rete, pensato per aiutare a prevenire possibili guasti e disservizi causati da una portata energetica eccessiva rispetto alle effettive condizioni di lavoro delle parti monitorate.
Il dispositivo misura periodicamente la temperatura del cavo o giunto interrato, unitamente alla temperatura ed al grado d’umidità (livello tensiometrico) del terreno nelle immediate vicinanze. Anche i valori RMS della corrente in transito sulle tre fasi sono continuamente monitorati su intervalli configurabili, producendo sia valori di RMS aggregati, che di RMS minimi e massimi.
I dispositivi UCM01 si alimentano autonomamente utilizzando un TA apribile, applicato su una delle fasi del cavo monitorato, come fonte energy harvesting magnetico. La stessa fonte energetica provvede anche alla ricarica della batteria integrata che, grazie ad un’implementazione ultra low-power, è grado di garantire fino a 90 giorni di funzionamento continuo anche in assenza di corrente intransito nel cavo.
Tutti i dati raccolti sono periodicamente inviati ad un’apposita applicazione iTHINGS, utilizzando la connettività LPWAN integrata, di tipo NB-IoT (UCM01-N) o LoRaWAN (UCM01-L) e le opportune integrazioni con le corrispondenti piattaforme di rete. L’applicazione WEB iTHINGS, disponibile in modalità IaaS, PaaS e SaaS, storicizza e visualizza tutti i dati ricevuti dei dispositivi, permettendone varie viste ed aggregazioni oltre a consentirne l’esportazione verso altri applicativi. La stessa applicazione iTHINGS permette anche il controllo remoto dei dispositivi consentendone la modifica remota dei vari parametri di monitoraggio.
Gli UCM01 hanno un grado di protezione IP68 che ne consente l’utilizzo in ambiente sotterraneo senza necessità di ulteriori elementi di protezione.
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