Verifica termica prevista dalla norma CEI EN IEC 61439-1 e 2 zoppa?

 

I cavi elettrici dei circuiti sollecitati da sovraccarico o da cortocircuito devono risultare appropriatamente protetti da pericolosi riscaldamenti. Le norme tecniche forniscono ai progettisti indicazioni precise per la protezione dei cavi e per rendere accettabile il corrispondente rischio.  Prima però i progettisti devono determinare con cura la portata dei cavi.

Per i quadri elettrici la situazione è solo un po’ più complicata, ma di massima sussiste una analoga procedura da seguire. Per la protezione dei circuiti posti all’interno dei quadri (ma  non per i circuiti da attribuire ai circuiti esterni che ai quadri si connettono) le misure da adottare per la loro protezione sono di massima quelle previste per i circuiti elettrici dalla stessa norma CEI 64-8. Rimane da determinare quella che è la “portata” del quadro, in analogia con la portata dei cavi. Questa “portata” si configura nella capacità più articolata del quadro di svolgere il suo compito di distribuzione della corrente senza che le temperature dei conduttori, degli apparecchi di manovra e protezione, dei materiali isolanti, delle parti accessibili alle persone (strutture di contenimento e organi di manovra), degli strumenti  .., raggiungano temperature pericolose e/o tali da compromettere la corretta funzione loro assegnata[1].

Praticamente i progettisti del quadro devono fissare una temperatura o più temperature lungo lo sviluppo verticale del quadro, che non devono essere superate nel suo esercizio ordinario. Ciò si fa in genere calcolando le potenze dissipate dai componenti all’interno del quadro e confrontando la somma di tali potenze con la capacità dell’involucro da adottare di smaltirla (dimensioni, materiale, areazione, … ) contenendo la temperatura interna nei limiti prescritti dalle norme tecniche e tali da garantirne la funzionalità.  

La serie delle norme CEI EN IEC 61439 -1 e 2 e la guida CEI 121-5 forniscono le indicazioni utili per procedere a tale dimensionamento. Le norme e la guida dedicano anche con esempi decine e decine di pagine alle regole da seguire per garantire il dovuto controllo delle temperature, che i componenti all’interno di un quadro possono raggiungere, a significare l’importanza che a questa verifica viene riconosciuta per questioni di funzionalità e di sicurezza.

A noi però sembra in proposito di dover segnalare un importante buco normativo che riguarda proprio l’aspetto sopra richiamato, cioè la verifica termica dei quadri elettrici. 

I documenti normativi, anche se non detto del tutto esplicitamente sostengono la regola che l’interruttore generale del quadro, o più a monte chi per esso, con il contenimento  della corrente nominale InA del relativo circuito possa limitare anche la somma delle correnti dei suoi circuiti derivati, responsabili delle corrispondenti potenze dissipate e quindi garantire il controllo della temperatura interna del quadro.

Il buco normativo consiste nel fatto che la norma nel caso specifico non tiene conto che le correnti nella pratica comune impiantistica sono alternate e possono risultare sfasate tra loro nel tempo e che a parità di corrente limitata nel circuito principale la somma algebrica delle correnti, che percorrono i circuiti derivati. Il riscaldamento del quadro può risultare pertanto ben maggiore di quello previsto dalla norma con la limitazione della sua corrente di alimentazione. La norma ipotizza errando che le correnti in gioco siano tutte in fase tra loro.

Ovviamente maggiori sono gli sfasamenti tra le correnti dei circuiti (forni, gruppi di grossi motori, gruppi di motori frazionari, capacità di rifasamento, … ) maggiore risulta l’entità della potenza dissipata dai circuiti nel quadro[2] rispetto a quella considerata nella verifica eseguita secondo le indicazioni normative[3], cioè a parità di corrente nel circuito di alimentazione e con correnti erogate in fase con essa e tra di loro. Si può peraltro osservare come l’incremento di potenza dissipata da considerare a causa dell’aumento della temperatura di funzionamento dei conduttori, di cui le norme chiedono di tener conto, e l’incremento di potenza dissipata da considerare a causa del possibile sfasamento tra le stesse correnti di carico possano risultare dello stesso ordine di grandezza.

Pertanto non è giustificato il fatto di non dover tener conto della maggior potenza dissipata a causa dello sfasamento sempre possibile tra le correnti erogate dal quadro nelle condizioni che lo vedono alimentato con la sua corrente nominale[4].

L’ipotesi che la limitazione imposta con la prevista taratura dell’interruttore automatico principale possa impedire la possibilità che la temperatura interna al quadro raggiunga valori superiori a quanto previsto con le modalità di verifica indicate nelle norme e nella guida non è verificata, come in passato è stato segnalato. 

Troviamo oggettivamente sorprendente il fatto che la norma e la guida non abbiano considerato che nell’effettuare la verifica termica dei quadri elettrici sia ordinariamente necessario considerare anche l’ordinario sfasamento che sussiste tra le correnti. Le norme e più ancora la guida dovrebbero almeno segnalare il problema.

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[1] Si osserva anche che nella norma CEI 64-8 i quadri elettrici non risultano oggetto di prescrizioni. Al punto 511.1 si dice “Ogni componente elettrico deve essere conforme alle prescrizioni di sicurezza delle Norme CEI  che  lo  riguardano  e  deve  essere  installato  in  accordo  con  le  prescrizioni  della  presente Norma  e  con  le  istruzioni  fornite  dal  costruttore,  tenendo  conto  in  particolare  delle  condizioni ambientali.” e ancora al punto 526.5 si legge “Si  devono  prendere  precauzioni  per  evitare che  la  temperatura  raggiunta  nel  servizio  ordinario  dalle  connessioni  e  dalle  apparecchiature  danneggi  l’isolamento  dei  conduttori  e  modifichi le prestazioni delle apparecchiature (vedi anche 511.1).”

[2] Per cogliere l’aspetto pratico del fenomeno di cui si tratta, si può facilmente calcolare che due circuiti, per i quali si prevede uno sfasamento tra le correnti di 30 °C, dissipano una potenza superiore di oltre il 7% della potenza messa in gioco negli stessi due circuiti  

-quando percorsi da correnti in fase tra loro e in fase naturalmente con la corrente del circuito di alimentazione e

-quando tali correnti in fase tra loro richiedono dal circuito di alimentazione la stessa corrente che richiede la coppia di correnti tra loro sfasate.

[3] Si fa presente come elemento da non trascurare che a parità di aumento dello sfasamento tra le correnti all'aumentare dello sfasamento aumenta anche l'entità dell'incremento  della corrente e della potenza da considerare. 

[4] Differenze di temperatura di qualche decina di gradi dei conduttori implicano differenze nella potenza dissipata dagli stessi pari al 4%, 8%, 12% rispettivamente per 10 °C di aumento, per 20°C e 30°C.

 

Note critiche all’allegato C di CEI 121-5 “Guida alla normativa applicabile ai quadri elettrici di bassa tensione e riferimenti legislativi”. Parte 1

 L’allegato C della guida si riferisce chiaramente ad un quadro elettrico posto a valle (8 m, utenza n. 11) di un trasformatore in resina da 400 kVA. Noi riteniamo che il contenuto dell’allegato C non sia all’altezza di un documento prodotto dall’ente normativo nazionale per più ragioni.

1.     Nell’allegato C si ammette che per il quadro descritto non sia necessario provare in uno dei modi previsti dalla norma CEI EN 61439-1[1], che esso risulta in grado di resistere al cortocircuito, in quanto la corrente di cortocircuito presunta Icp nel punto di installazione del quadro risulta pari o inferiore a 10 kA (pag. 83), esattamente pari a 9.284 A (pag. 89). A noi risulta che un calcolo prudenziale conduca ad un valore superiore a 10 kA (prese di regolazione della tensione del trasformatore, tolleranza sul valore della tensione di cortocircuito del trasformatore, maggiorazione della tensione impressa del 5%, … ). L’esempio fornito dalla guida risulta fortemente fuorviante per gli utilizzatori della guida meno preparati, indotti a credere che per un quadro posto a valle di un trasformatore da 400 kVA non ci si debba preoccupare di dimostrarne la tenuta al cortocircuito della barratura principale .

2.     Si afferma a pag. 95 che il quadro presenta una Corrente Nominale di Cortocircuito condizionata pari a 17 kA. In base a quale ragione si fornisca tale valore non è chiaro. L’interruttore generale del quadro con In pari a 800 A non è in genere in grado di limitare il primo picco di corrente entro i 17 kA.

3.     Non si è applicata la nota di tab. 1 della norma CEI 61439-1, la quale avverte che in prossimità dei trasformatori MT/BT si deve controllare il valore del fattore di potenza, FdP,  della corrente di cortocircuito, in quanto questo risulta in genere inferiore a quello convenzionale cui sono provati gli interruttori al variare del loro potere di interruzione, PI.  Ciò comporta una scelta errata/da giustificare di tutti gli interruttori, ma in particolare per gli interruttori delle utenze 11 e n. 12, con PI pari a 10 kA, il cui FdP di riferimento per il PI è pari a 0,5 mentre il FdP della Icp è molto inferiore. Comunque per l’utilizzo di tutti gli interruttori a nostro avviso devono essere interpellati i costruttori, in quanto sono impiegati su valori del FdP inferiore a quello di prova, per il quale è garantito il corretto funzionamento. Ciò vale anche per gli interruttori scatolati e per l’interruttore generale. L’esempio prodotto nella guida risulta pertanto fuorviante per gli utenti della guida meno preparati.

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[1] CEI EN 61439-1, Apparecchiature assiemate di protezione e di manovra per bassa tensione – Prescrizioni generali

Quando un quadro elettrico non provato al cortocircuito può essere installato?

 

Pare che secondo la norma tecnica applicabile un quadro elettrico non provato al cortocircuito possa essere installato

a)    quando la corrente di cortocircuito presunta nel punto di installazione è minore di 10 kA, 

oppure

b)    quando ha in ingresso un dispositivo di protezione che limita a 17 kA la corrente di picco in corrispondenza del suo potere di interruzione o in corrispondenza della corrente di cortocircuito presunta nel punto di installazione,

oppure

c)     quando è installato a monte del quadro un dispositivo di protezione in grado di limitare a 17 kA la corrente di picco della corrente di cortocircuito presunta nel punto di installazione.

A me sembra errata questa formulazione in quanto le due condizioni a) e b) o a) e c) devono essere soddisfatte contemporaneamente. Almeno se vogliamo dare una giustificazione tecnica alla disposizione normativa. Ciò in quanto spesso non vale la regola che, quando la corrente di cortocircuito è pari a 10 kA, la corrente di picco corrispondente è inferiore a 17 kA. Ciò è vero solo se il fattore  della corrente di cortocircuito è inferiore o uguale a 0,5. Ricordo che 0,5 è il valore del fattore di potenza convenzionale con cui vengono testati gli interruttori automatici di protezione per determinarne il potere di interruzione per la classe di potere di interruzione fino a 10 kA. La realtà impiantistica non rispetta certo questa convenzione.

E’ significativo al fine di dare ragione alla mia non trascurabile affermazione esaminare con attenzione il caso descritto nell’allegato C della guida CEI 121-5 in vigore. Esso descrive un quadro con In pari a 630 A, per il quale la guida non prevede, a mio avviso erroneamente, la necessità di eseguire le prove di corto circuito. Faremo questo esame prossimamente e dimostreremo come l'esempio possa risultare fuorviante per gli utenti della norma e della guida.

9. IL PUNTO DELLA SITUAZIONE NELLA SELEZIONE DEGLI INTERRUTTORI DI PROTEZIONE DI BT IN CONDIZIONI DI APPLICAZIONE FUORI STANDARD

 

Conclusioni

 

Importante problema di sicurezza quasi sconosciuto da segnalare

Il problema[1] trattato riguarda la sicurezza delle persone e degli impianti e non dovrebbe essere trascurato. L’alta frequenza, con cui il problema si presenta, e le pesanti responsabilità collegate richiederebbero su di esso maggior attenzione da parte dell’ambiente normativo.

Ai progettisti, ai quadristi, agli installatori, ai collaudatori e ai verificatori devono essere fornite indicazioni precise ed affidabili[2] sulla procedura da seguire per risolvere almeno la maggioranza dei casi critici, che si possono presentare e che riguardano sezioni di impianti elettrici importanti. Ciò deve avvenire in tempi brevi[3]. La sorgente di rischio, che abbiamo descritto, deve entrare a far parte dell’elenco dei rischi[4]. Non prenderlo in considerazione significa non ispirarsi al principio di precauzione.

 

Contenuto della modifica da apportare nei documenti normativi

Il testo ambiguo e tardivo[5] presente nel commento all’art. 5.33.3.2 di CEI 64-8 e la procedura descritta nelle ultime pagine in CEI 121-5 dovrebbero essere modificati necessariamente[6] prescrivendo il ricorso all’approvazione dei costruttori per l’uso degli interruttori di protezione nei casi critici in queste note considerati. Non sembra possibile oggi l’adozione di una soluzione diversa.

Per aiutare i progettisti a non cadere in errore nella selezione degli interruttori, suggeriamo ai normatori di inserire nel commento all’art. 533.3.2 della stessa norma CEI 64-8 una tabella, che riporti i fattori di potenza convenzionali, cui i progettisti possano agevolmente riferire i poteri di apertura e di chiusura[7] in cortocircuito nominali degli interruttori da utilizzare[8] senza l’autorizzazione dei costruttori.  

 

Una più equilibrata ripartizione in ambito normativo delle influenze dei diversi portatori di interessi

Per quanto abbiamo potuto osservare nei non pochi anni trascorsi si auspicano presso il CEI interventi orientati a garantire un processo di formazione dei contenuti normativi più aperto alle osservazioni esterne e più equilibrato nell’assegnare il dovuto peso alle esigenze di tutti i diversi portatori di interessi in particolare in contrapposizione a quello dei costruttori di interruttori di protezione e di quadri elettrici[9]. Di ciò in particolare i progettisti dovrebbero farsi carico nel pretendere presso gli enti normatori risposte più tempestive, attente e precise da parte dei costruttori.

 

Perché non investire le università del compito di partecipare ai lavori di validazione dei contenuti delle norme tecniche?

 L’ambiente universitario potrebbe garantire competenze e terzietà nella procedura di formazione delle norme tecniche. L’ambiente universitario è depositario di ottime risorse e capacità per condurre importanti analisi scientifiche, necessarie anche per valutare con occhio meno coinvolto di altri portatori di interessi il rapporto costi/benefici delle novità tecnologiche con continuità “obbligatoriamente”[10] proposte nel mercato.

 

 

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[1] Il problema del possibile utilizzo improprio e insicuro degli interruttori elettrici di protezione.

[2] L’importanza del problema non merita come risposta l’ambiguo testo del commento ad un articolo di norma, nè alcune righe delle ultime pagine di una guida. Il tutto peraltro senza una comprensibile giustificazione tecnica.

[3] Già circa 45 anni or sono chi scrive ha segnalato il problema, di cui si tratta (TR 2500 kVA a perdite ridotte), senza aver trovato presso i costruttori adeguata assistenza.

[4] Alcuni incidenti potrebbe trovare spiegazione in una errata selezione degli interruttori per quanto si è prospettato. L’aspetto considerato in queste note dovrebbe entrare in futuro nella check-list dei collaudatori, dei verificatori, quando chiamati a pronunciarsi sulla realizzazione a regola d’arte dei quadri elettrici, come in quella dei periti dei tribunali, quando chiamati ad approfondire le cause di contestazioni o incidenti più o meno gravi.

[5] La frettolosità e la superficialità, con cui sembra si sia affrontato il problema, quando fu preso in considerazione presso il CEI, sembrano comprovate anche dal fatto che nella prima versione del commento all’art. 533.3.2, presente anche nell’ultima edizione di CEI 64-8, se ne limita l’ambito di interesse ai soli valori del fattore di potenza della corrente di cortocircuito inferiori a 0,2: un evidente errore. Infatti, se è vero che al valore 0,2 corrispondono applicazioni in quadri elettrici connessi a nodi di più elevata potenza, è anche vero che per valori superiori del fattore di potenza, da riferire a classi di interruttori caratterizzati da valori inferiori di Icu, i gradienti delle energie in gioco da smaltire all’interno degli interruttori e i gradienti dei picchi di corrente Icm dagli stessi da sostenere, al variare rispettivamente di Icu e di Icm, sono ben maggiori di quelli da riferire al valore convenzionale estremo (0,2). Quindi tutte le situazioni, cioè anche quelle relative alle classi di interruttori con Icu inferiori, sono da considerare parte del problema, in quanto sussistono per esse livelli di rischio non molto diversi. L’errore è stato segnalato e il testo sarà probabilmente modificato.

[6] I progettisti non sono tenuti a conoscere il dettaglio della norma CEI EN 60947-2, che tratta degli interruttori di protezione.

[7] C’è da chiedersi per quale motivo molti anni fa è stata eliminata nei cataloghi, che descrivevano le prestazioni degli interruttori, l’indicazione dei fattori di potenza al di sopra dei quali i poteri di chiusura e di apertura erano da riferire. Qualche anno fa tale indicazione continuava a non comparire.

[8] Ciò non sembra ad es. necessario si debba chiedere per quanto attiene alla tensione di esercizio, cui riferire i poteri di chiusura e di apertura degli interruttori, in quanto la corrispondenza continua ad essere correttamente trattata nei cataloghi dei costruttori.

[9] Ad esempio nella determinazione della composizione dei Gruppi di Lavoro preposti all’approfondimento di determinati argomenti.

[10] Si sa che l’applicazione delle norme tecniche non è obbligatoria, ma che non applicarle è pericolosissimo.

8. IL PUNTO DELLA SITUAZIONE NELLA SELEZIONE DEGLI INTERRUTTORI DI PROTEZIONE DI BT IN CONDIZIONI DI APPLICAZIONE FUORI STANDARD

 

L’ambiente normativo ha proposto, senza volerlo manifestare, la soluzione prevista nel mercato nordamericano?

 

Le norme tecniche in vigore nel Nord America prendono in seria considerazione la concreta possibilità che il fattore di potenza della corrente di cortocircuito sia inferiore a quello convenzionale previsto per le prove in laboratorio degli interruttori[1]. Le stesse norme tecniche forniscono regole di comportamento nel caso le correnti ci cortocircuito siano caratterizzate da un fattore di potenza inferiore a quello convenzionale. I fattori convenzionali riportati nelle norme nordamericane non sono proprio gli stessi che compaiono nelle norme CEI EN IEC.   Le norme nordamericane danno in proposito anche indicazioni sui valori di declassamento del potere di interruzione nominale da considerare. Sono infatti messe a disposizione dei progettisti e dei quadristi tabelle, che indicano il declassamento da utilizzare nei casi critici in relazione al valore del fattore di cortocircuito con cui ci si deve confrontare e consentono di scegliere interruttori adeguati.  Di seguito un esempio di tabella[2].

  

Tavola -  Fattori di declassamento del potere di interruzione nominale degli interruttori
% P.F.	X/R	Poteri di interruzione nominali
		Interruttori scatolati						Interruttori di tipo aperto
		I < e = 10 kA		I > 10 kA                       I < e = 20 kA		> 20 kA		Senza fusibili		Con fusibili
50	1,73	1,000		1,000		1,000		1,000		1,000
30	3,18	0,847		1,000		1,000		1,000		1,000
25	3,87	0,805		0,950		1,000		1,000		1,000
20	4,90	0,762		0,899		1,000		1,000		1,000
15	6,58	0,718		0,847		0,942		1,000		0,939
12	8,27	0,691		0,815		0,907		0,962		0,898
10	9,95	0,673		0,794		0,883		0,937		0,870
8,50	11,72	0,659		0,778		0,865		0,918		0,849
7	14,25	0,645		0,761		0,847		0,899		0,827
5	19,97	0,627		0,740		0,823		0,874		0,797

 

Tabella in vigore nel mercato nordamericano, riportante i fattori di declassamento del potere di interruzione nominale degli interruttori in funzione del fattore di potenza della corrente di cortocircuito.

 

Il criterio di formazione della tabella sembra essere quello che ha ispirato i contenuti la guida italiana CEI 121-5. Probabilmente i costruttori di interruttori di BT statunitensi e canadesi hanno eseguito prove in laboratorio e condotto ragionamenti tali da garantire la bontà delle conclusioni esposte nella tabella.

Per dovere di informazione si deve però anche enfatizzare il fatto che il criterio fornito per superare l’ostacolo nella norma nazionale è stato pubblicato solo in seguito ad una forte richiesta di chiarimento proveniente dall’esterno dell’ambiente normativo e che l’ ambiente normativo nazionale non ha mai fatto sapere di aver adottato la procedura in vigore in Nordamerica. Peraltro è noto che le norme tecniche (ANSI, UL) in vigore nel Nord America relative alla costruzione e alle prove degli interruttori di protezione di bassa tensione sono diverse dalle norme IEC/EN/CEI, come è noto che non è facile un confronto tra queste e quelle[3].

Il progettista e i quadristi in Italia non devono certo assumersi la responsabilità di adottare la soluzione in vigore nel Nord America, peraltro un po’ in sordina e non spontaneamente proposta in alcuni documenti secondari del Comitato Elettrotecnico Italiano. Ciò quando gli stessi esperti normatori in Italia non sembrano interessati al problema e ad ogni suo approfondimento: la risposta data che ci sconcerta è che presso l’ambiente normativo non si sente l’esigenza di ulteriori chiarimenti e che la situazione pertanto può rimanere come sta.

 

 

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[1] Già nell’anno 2001 presso l’American National Standard (ANSI) si approvava il documento IEEE Std 242-2001 (Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power System), che in Table 7-7 forniva i “Short-circuit current multiplyng factor for circuit breakers”, indirettamente quindi i fattori di declassamento dei poteri di interruzione per valori del fattore di potenza inferiori a quelli standard previsti per le prove di laboratorio.

 

[2] Da “Power Distribution System”, EATON, August 2017, Sheet 01 053.

[3] Per di più i valori dei fattori di potenza di prova in cortocircuito per gli interruttori previsti dalle norme tecniche in vigore nel mercato nordamericano sembrano risultare diversi da quelli previsti dalle norme CEI (ad es. 0,15 contro 0,2) e non poco diverse risultano le tensioni di esercizio degli impianti elettrici utilizzatori di bassa tensione rispetto a quelle in vigore in Italia.