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

 

5.     Obsolescenza dei valori convenzionali del fattore di potenza di cortocircuito previsti dalle norme CEI EN IEC 60947 da riferire alle prestazioni degli interruttori di protezione di BT

LLLa norma CEI EN 60947-2 suddivide gli interruttori in più classi in base al potere nominale di interruzione/apertura in cortocircuito (Icu) e prevede che il corrispondente potere di chiusura nominale in cortocircuito (Icm) per ogni classe sia non inferiore ad un determinato valore di picco rispetto a Icu. Nella tabella n. 1 della stessa norma è anche definito il rapporto “n” tra Icm e Icu per ogni classe.

 

Il fattore di potenza della corrente di cortocircuito definisce il valore “n” introdotto dalla norma per ciascuna classe di interruttori.  Gli esperti estensori della norma hanno ritenuto alla data della prima edizione della norma che valori del fattore di potenza della corrente di cortocircuito inferiori a quelli proposti nella tabella risultassero molto improbabili nella progettazione degli ordinari impianti elettrici.   I valori del fattore di potenza (cosfi) e del rapporto “n” proposti nella sopra richiamata Tabella 1 della norma CEI EN IEC 60947-2 sono riportati in Fig. 1 in funzione della classe dei poteri di interruzione (corrente di prova I).

 

 

corrente di prova I kA	cosfi	n
I ≤ 3	0,9	1,42
3 < I ≤ 4,5	0,8	1,47
4,5 < I ≤ 6	0,7	1,53
6 < I ≤ 10	0,5	1,7
10 < I ≤ 20	0,3	2,0
20 < I ≤ 50	0,25	2,1
50 < I	0,2	2,2

      

Fig. 1   - Valori del fattore di potenza e del rapporto tra potere di chiusura e potere di apertura previsto per condurre le prove secondo la norma CEI EN IEC 60947-2

 

Si può facilmente verificare che i valori del cosfi, cui la norma con la tabella n. 1 fa riferimento, non costituiscono oggi un valido riferimento. I fattori di potenza della corrente di cortocircuito presunta indicati nella tabella risultano inadeguati. Molte infatti sono le situazioni, in cui i valori del fattore di potenza della corrente di cortocircuito a sono inferiori a quelli proposti nella tabella 1 della norma CEI EN IEC 60947-2, richiamati anche nella Tabella 7 della norma CEI EN 61439-1[1].

La nota alla tabella 7 della norma CEI EN 61439-1 già nell’anno 2012 poneva in evidenza il problema dell’obsolescenza dei valori dei fattori di potenza proposti nella tabella stessa. Il contenuto della nota è il seguente : “ I valori della presente tabella tengono conto della maggioranza delle applicazioni. In zone particolari, per es. in vicinanza di trasformatori o generatori, il fattore di potenza può assumere valori più bassi, per cui in questi casi il valore massimo della corrente di picco presunta può diventare il valore limitativo, invece del valore efficace della corrente di cortocircuito. Il segnale di attenzione non fu seriamente preso in considerazione e ha negativamente, a nostro avviso, influenzato i contenuti di alcuni testi normativi successivamente pubblicati, come si potrà verificare. Le norme hanno prescritto successivamente, quando sollecitate a farlo, che le prestazioni degli interruttori risultassero adeguate al valore di cresta della corrente di cortocircuito da controllare, trascurando il fatto che parimenti anche il distinto potere di interruzione doveva essere garantito nelle condizioni fuori standard richiamate. Le barrature dei quadri elettrici non devono aprite la corrente di cortocircuito.

 

Per quanto riguarda la inattualità dei valori riportati in Tabella 1 della norma, si può osservare come in tutte le cabine di trasformazione, se non di piccola potenza, quando i relativi quadri di distribuzione si trovano in prossimità del trasformatore, le correnti di cortocircuito che riguardano gli interruttori installati negli stessi quadri possono presentare un fattore di potenza inferiore a quello convenzionale indicato nella norma CEI EN 60947-2. Ciò a maggior ragione per i sempre migliori rendimenti su cui negli ultimi anni per legge per i trasformatori MT/BT si può contare[2].

Meraviglia l’esempio presentato nella guida CEI 121-5, per il quale il quadro elettrico principale di BT è previsto ad una distanza di circa 100 m da un trasformatore MT/BT (Pn 1000 kVA)[3].  Sembra quasi che gli esperti normatori non volessero fare i conti con il problema del fattore di potenza, di cui in queste note si tratta. 

La scarsa conoscenza del problema nel mondo della progettazione suggerisce la possibilità che molti quadri di BT importanti, che fino a ieri sono stati realizzati potrebbero risultare non a regola d’arte[4]^,[5], per quanto progettati e realizzati e collaudati da professionisti di valore.

 

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[1] CEI EN 61439-1 (CEI 17-113) "Apparecchiature assiemate di protezione e di manovra per bassa tensione (quadri BT) - Parte 1: Regole generali”

[2] Come anche la Parte 8 della norma CEI 64-8, dedicata all’efficienza degli impianti elettrici, giustamente suggerisce.

[3] Guida Tecnica CEI 121-5; 07-2015, Guida alla normativa applicabile ai quadri elettrici di bassa tensione e riferimenti legislativi, pag. 118.  Una conduttura lunga 100 m risulta costituita per ogni fase da 5 conduttori, ciascuno di sezione pari a 240 mm² alimenta un quadro di corrente nominale pari a 1600 A  contrariamente ad un più corretto orientamento in fatto di efficienza.

[4] Editoriale Delfino, Elettrificazione, 10, 2015, n. 714, La scelta degli interruttori automatici; Editoriale Delfino, Elettrificazione 1-2  2020, n. 744,  Appunti a proposito della grana del cosfi di cortocircuito; Editoriale Delfino, Elettrificazione, 6-7, 2020, n. 747, La selezione degli interruttori nei casi critici.

[5] Il dover riconoscere tardivamente la presenza di molte situazioni potenzialmente pericolose potrebbe motivare lo scarso interesse l’ente normatore dimostra per un approfondimento del tema. 

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

 Le prestazioni in cortocircuito degli interruttori sono da ben distinguere tra loro ed entrambe sono da considerare nel progetto degli impianti elettrici di potenza

 

Gli aspetti da valutare sono del tutto diversi:

-il primo ( potere  di chiusura in cortocircuito) riguarda maggiormente la tenuta meccanica dei componenti dell’interruttore sollecitati dalle forze elettrodinamiche, dovute al picco iniziale di corrente presunto.

-il secondo (potere di interruzione in cortocircuito) riguarda, ma non solo, la capacità della camera di estinzione dell’interruttore di dissipare l’energia presente nell’induttanza del circuito di guasto associata al valore della corrente di cortocircuito al momento  dell'apertura.

Gli aspetti da considerare sono più evidenti nella selezione degli interruttori di media e alta tensione.

L'importanza della distinzione tra i due poteri sembra perdere di importanza per gli interruttori di tipo limitatore, da molti anni anche in uso nei quadri elettrici di BT.  In proposito il contenuto della norma tecnica non sembra esserne risultato influenzato .

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

 Potere di chiusura in cortocircuito, art. 5.3.6.1, CEI EN IEC 60 947-2; 03 - 2025)

Ricordiamo che il potere di chiusura in cortocircuito nominale indica il valore di cresta massimo (Icm, di picco, valore istantaneo) della corrente di cortocircuito che l’interruttore può stabilire/portare, senza subire danni, secondo il ciclo di aperture e chiusure previsto  dalla norma tecnica. Il costruttore deve verificare che in corrispondenza del massimo picco di corrente tutte le parti dell'interruttore resistano alle sollecitazioni meccaniche, cui esse risultano sottoposte.  Il valore di cresta da associare al valore efficace della corrente di cortocircuito è tanto maggiore quanto minore è il fattore di potenza del circuito in esame. La norma tecnica CEI EN IEC 60947-2 prescrive, per quanto ricordato, che la prova debba essere eseguita rigorosamente ad un fattore di potenza non superiore ad un predeterminato valore di riferimento convenzionalmente definito.    

Potere di interruzione in cortocircuito; art. 5.3.6.2, CEI EN IEC 60 947-2; 03 - 2025)

 La prova relativa al potere nominale estremo di apertura/interruzione in cortocircuito (Icu), secondo il ciclo di chiusure ed aperture indicato nella norma, verifica, quando richiesto, la corretta funzionalità dell’interruttore nell'interrompere la massima prevista corrente di cortocircuito che il costruttore gli assegna, definita questa con il suo valore efficace. 

I fattori che determinano tale valore efficace, che, vista la natura più o meno induttiva degli ordinari circuiti interessati, risulta in genere maggiore del valore efficace della corrente presunta di cortocircuito, sono

-il fattore di potenza del circuito di guasto, che coincide con quello della corrente di cortocircuito, che determina l'energia da dissipare nella camera di estinzione dell'arco dell'interruttore;

-l’istante in cui inizia il distacco dei contatti dell’interruttore per eseguire l’interruzione (break time), che determina il valore efficace effettivo della corrente da interrompere, tanto maggiore rispetto al valore efficace della corrente di cortocircuito permanente, quanto più in fretta l'interruttore si attiva per operare l'interruzione.

La norma tecnica CEI EN IEC 60947-2 chiede pertanto che anche la prova di apertura in cortocircuito sia eseguita rigorosamente ad un fattore di potenza ben definito e non ad esso superiore. Si tratta naturalmente dello stesso fattore di potenza che vale per la prova relativa al potere di chiusura in cortocircuito. 

L’esito positivo di entrambe le prove si può estendere a tutti i valori di corrente di cortocircuito pari e inferiori a quello di prova e con fattore di potenza non inferiore a quello di prova.  La norma tecnica non prevede di poter estendere i risultati positivi delle prove relative all’aspetto della apertura in cortocircuito ad aspetti relativi alla chiusura in cortocircuito e viceversa.

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

 Si sa che le norme CEI EN IEC 60947-1 e 2, che trattano le regole per definire le prestazioni e le prove degli interruttori di protezione di BT, caratterizzano  gli stessi interruttori, per quanto attiene al loro comportamento in caso di cortocircuito, da un potere di chiusura e da un potere di interruzione nominali. Questi due poteri hanno in comune il fattore di potenza (FDP) della corrente di cortocircuito (CCC). Al comune FDP i due poteri sono da riferire. Con l'assegnato valore del FDP gli interruttori sono attentamente verificati in laboratorio con l’attribuzione finale dei  due poteri ben distinti. Si tratta di due ben diverse prestazioni, con cui ogni progettista di impianti elettrici deve confrontarsi[1]. Oggi nelle situazioni fuori standard che vedono il FDP (fattore di potenza) inferiore a quello di prova le modalità previste dalla norma tecnica, con cui procedere alla selezione degli interruttori, e la definizione delle relative responsabilità di scelta ci sembrano rispettivamente errate ed imprecisa.

Osserviamo in proposito quanto segue.

Ogni importante riferimento al fattore di potenza della corrente di cortocircuito convenzionale di prova è sparito  da molti anni sia dalle targhe degli interruttori che dalle note dei relativi cataloghi.

La norma tecnica  CEI EN IEC 60947-2 di contro fa sempre riferimento nella attribuzione dei poteri di chiusura e di interruzione a precisi non derogabili valori minimi convenzionali del FDP.

I valori minimi convenzionali di riferimento FDP non sono stati modificati nel tempo . In realtà le condizioni impiantistiche sono molto cambiate.  Di conseguenza i FDP convenzionali risultano da molto tempo obsoleti,  inadeguati e pericolosi.

Secondo l'attuale orientamento in ambito normativo, che non ci sembra sia sufficientemente dal puto di vista tecnico argomentato/giustificato [2], non sembra costituire più “un obbligo” la necessità di una approvazione da parte dei costruttori per l’utilizzo degli interruttori di protezione in condizioni fuori standard. Noi intendiamo dimostrare il contrario.

L’ambiente normativo non sembra nel merito interessato ad approfondimenti. Perdura pertanto a nostro avviso una situazione che vede i progettisti, ma non solo, investiti di pesanti responsabilità, che non competono loro, ma che dovrebbero competere oggi ai costruttori, se non anche allo stesso ente normatore.

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[1] L’art. 533.3.2 della norma CEI 64-8 chiede che il potere di interruzione sia superiore alla corrente di cortocircuito presunta, trascurando completamente di chiedere il confronto con il suo fattore di potenza, dando erroneamente come un dato di fatto che il FDP  sia sempre superiore a quello convenzionale di prova. Poichè ciò non è, il testo non sembra aver adottato l'atteggiamento prudente che di solito si addice al contenuto di una norma tecnica.

[2] L'ambiente normativo sostiene erroneamente che il problema che si solleva è del tutto marginale. Ogni .ulteriore approfondimento non è necessario e quindi giustificato.

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

Desideriamo fare il punto della situazione sul problema,che ho sollevato molti anni fa, relativo alla selezione degli interruttori di protezione di BT, quando questi devono essere utilizzati su correnti di corto circuito, CCC, che presentano un fattore di potenza, FdP, inferiore a quello di prova previsto dalle norme applicabili.

Non siamo soddisfatti dei risultati raggiunti presso l'ente normatore. Risultati che abbiamo in parte descritto in precedenti interventi e che non sono stati ulteriormente migliorati.

Non riteniamo di aver raggiunto l'obiettivo che ci eravamo prefissi e che ci sembrava più corretto. 

L'obiettivo era il seguente: 

Quando la corrente di cortocircuito presunta da controllare presenta un FdP inferiore a quello di prova, previsto dalla norma di prodotto relativa agli interruttori di protezione di BT, solo il costruttore può autorizzarne l'utilizzo.  

I progettisti, i quadristi, gli installatori, i collaudatori e i verificatori non possono/devono assumersi responsabilità al riguardo, pena la possibilità di incappare in spiacevoli e pesanti conseguenze.

Il problema si continua a porre in quanto i fattori di potenza, con cui sono testati gli interruttori di protezione di BT, risultano da molti anni a questa parte ancora oggi obsoleti. Questa condizione è poco conosciuta e divulgata, per cui la sicurezza degli impianti elettrici di potenza può risultare compromessa da un uso non corretto degli interruttori. 

La norma tecnica non sembra, almeno per quanto ci pare, aver dato in proposito, se pur sollecitata, una risposta soddisfacente. Essa non ha dato una risposta chiara e definitiva.  Anzi quanto introdotto in proposito nella norma CEI 64-8 ci sembra in contraddizione con il contenuto della norma di prodotto, CEI EN 60947-2. 

Argomenteremo nei prossimi interventi le nostre affermazioni e restiamo in attesa di eventuali sempre utili considerazioni di approfondimento da parte dei colleghi, che ci vorranno accompagnare nel percorso di rivisitazione del problema, che ci prefiggiamo.

Nuova CEI 64-8 Novità sulla scelta degli interruttori di priotezione

 La nuova edizione della norma CEI 64-8 ha accolto solo parzialmente le nostre osservazioni. Ciò relativamente all'articolo 533.3.2 della norma che tratta della scelta degli interruttori automatici di protezione. Nella parte commenti relativa all'articolo 533.3.2 si legge oggi quanto di seguito riportiamo.

”Commento 533.3.2 

Gli apparecchi di protezione per la protezione dal cortocircuito devono essere conformi ai requisiti delle norme CEI che trattano interruttori automatici e fusibili, ma deve essere tenuto in  considerazione  anche  che  le  condizioni  di  installazione  negli  impianti  possono  essere  diverse da quelle previste in quelle norme, in particolare con riferimento a:

•    Il fattore di potenza della corrente di corto circuito, in un sistema a corrente alternata in un  impianto,  può  essere  inferiore  a  0,2,  valore  minimo  previsto  dalle  norme  di  prodotto  (Interruttori) per la prova di cortocircuito in apertura;

•     La riduzione della componente c.a. e c.c. della corrente di cortocircuito. La conseguenza è che il rapporto tra il potere d’interruzione nominale limite di cortocircuito Icu ed il potere di chiusura nominale in cortocircuito Icm corrispondente, nelle normali condizioni dei sistemi di distribuzione, può essere inadeguato. In questi casi, gli interruttori automatici devono essere scelti in base al loro potere di chiusura Icm potere di chiusura nominale in cortocircuito. (short-circuit making capacity), anche se il loro potere d’interruzione nominale, riferito alle condizioni normali, può risultare superiore a quello richiesto dalla effettiva applicazione. 

Si  suggerisce  inoltre  di  consultare  il  costruttore  dell’apparecchiatura  per  avere  maggiori  informazioni."

Non è stato modificato il testo proposto in bozza: alla fine il verbo interloquire è stato sostituito con il verbo consultare. 

La nuova edizione della norma CEI 64-8 ha accolto solo parzialmente le nostre osservazioni anche  relativamente all'articolo 434.3.3 della norma che tratta della scelta dei condotti sbarra, che nella parte commenti recita : "Valori di Icw minori della corrente di cortocircuito presunta sono accettabili, a pari I2t, se il valore di picco della corrente di cortocircuito presunta non supera quello tollerabile indicato dal costruttore del sistema di condotto sbarre o di binario elettrificato. In alcune situazioni (per es. in vicinanza di trasformatori di potenza e/o di generatori) il fattore di potenza della corrente di cortocircuito presunta da considerare è, al contrario di quanto avviene in  altre  più  frequenti  situazioni,  inferiore  a  quello  di  prova  convenzionale  dei  condotti  sbarra  definito in base all’Icw. In queste situazioni o equivalenti la corrente nominale di tenuta al picco del sistema di condotto sbarre o di binario elettrificato non deve essere inferiore al valore di picco della corrente di cortocircuito presunta, fatti salvi gli effetti di limitazione, dell’eventuale dispositivo di protezione posto a monte".

E' chiaro che per entrambi i casi  richiamati si tratta di finalmente almeno allarmare i progettisti, i quadristi e i collaudatori sul problema dei cosfi della corrente di cortocircuito presunta. Tali cosfi sono spesso troppo bassi relativamente alle condizioni dell'installazione di interruttori di protezione, di condotti sbarra e di barrature di quadri elettrici importanti. I cosfi da contrastare sono inferiori a quelli di prova in apertura, in chiusura degli interruttori e a quelli utilizzati per la prova di tenuta dei condotti sbarra/barrature.

 A nostro avviso non si elimina il rischio per i progettisti di cadere in scelte errate. Inoltre ogni responsabilità resta in prima battuta tutta in capo ai progettisti, quadristi e collaudatori.  Comunque un segnale di attenzione è stato almeno comunicato.

E' bene a scanso di pesanti responsabilità che i progettisti, i quadristi e i collaudatori per le applicazioni "critiche" si dotino di consenso scritto dei costruttori degli interruttori e dei condotti sbarre e barrature. 

La scelta degli interruttori a valle dei trasformatori MT/BT

 

Ogni possibile aggancio con il problema del cosfi viene accuratamente evitato. Ad esempio consideriamo il quaderno ABB dal titolo “Cabine MT/BT: teoria ed esempi di calcolo di cortocircuito” e l’esempio svolto a pag. 14.

Si svolge il calcolo della corrente di cortocircuito a valle di un trasformatore con Pn pari a 400 kVA.  

A pensar male si può pensare che per non incorrere nel fatto di dover ammettere che è diffusa e concreta la possibilità di imbattersi nella situazione imbarazzante, per cui il cosfi per cui sono abilitati gli interruttori in quanto a potere di interruzione, non copre anche i casi più comuni come quello presentato, si attribuisce al trasformatore una caratteristica speciale senza dichiararlo.

Le perdite nel rame sono dichiarate pari al 3%. Tale valore incide proporzionalmente sul valore del cosfi della corrente di cortocircuito.

I trasformatori in olio presentano però in genere perdite pari a 1,35 % se a perdite normali e pari a 1,07 se a perdite ridotte.

Se si fossero adottati i normali valori di perdite il cosfi della corrente di cortocircuito, valutata in circa 15 kA, a macchina calda sarebbe risultato circa 0,35 nel caso di perdite normali e pari a 0,29 nel caso di perdite ridotte. Nel secondo caso essendo gli interruttori con poteri di interruzione compresi tra 10 e 20 kA abilitati per cosfi pari a 0,3 e non inferiori, non potrebbero essere adottati.

A impianto freddo il fenomeno è esaltato ed entrambe le situazioni diventano non accettabili dal punto di vista che abbiamo considerato.

Le cose peggiorano nel caso si considerino trasformatori rispondenti per classi di efficienza alla più recente norma CEI EN 50588-1.

Per i trasformatori in resina le cose peggiorano in quanto le perdite nel rame aumentano di poco, mentre la tensione di cortocircuito aumenta del 50 %.

Si dovrebbe ricorrere pertanto all’adozione di interruttori con prestazioni superiori a quelli che ordinariamente ammissibili.

Possibilità che a scapito della sicurezza non si vuol ancor oggi introdurre e la norma CEI non ci aiuta.  

In capo a chi la responsabilità di una scelta errata che pare accettata anche dalla norma ?