Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione

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1 Dicembre 2006 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 1SDC007103G0901

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3 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione Indice Introduzione Il riscaldamento nei quadri elettrici 1.1 Generalità La portata in corrente Verifica delle sovratemperature mediante prova secondo la CEI EN Verifica delle sovratemperature mediante estrapolazione Consigli per migliorare la portata degli interruttori in quadro 2.1 Potenza dissipata all interno del quadro Conformazione struttura interna Tipologia di interruttore istallato Sezione dei conduttori interni al quadro Percorsi effettuati dalla corrente Smaltimento del calore prodotto all interno del quadro Ventilazione del quadro Problematiche relative al cortocircuito 3.1 Principali definizioni dei parametri che caratterizzano il quadro in condizioni di cortocircuito Prescrizioni generali ed informazioni sulla tenuta al cortocircuito Prescrizioni relative ai circuiti elettrici del quadro Sistemi di sbarre principali Sbarre e conduttori di distribuzione derivati dalle sbarre principali Riduzione delle possibilità e degli effetti del cortocircuito Distanze minime di ancoraggio dei conduttori Verifica della tenuta al cortocircuito e limitazione degli interruttori Problematiche relative alle distanze d installazione...46 Appendice A: Esempio di quadri elettrici realizzati con interruttori ABB Appendice B: Forme di segregazione Appendice C: Gradi di protezione IP Superfici laterali e posizionamento del quadro Le segregazioni del quadro Grado di protezione del quadro...17 Glossario Smaltimento del calore prodotto nei terminali Problematiche legate alla convezione Problematiche legate alla conduzione Portata interruttori e sbarre

4 Introduzione 1 Introduzione Un quadro elettrico è costituito dall assieme di più apparecchiature di protezione e manovra raggruppate in uno o più contenitori adiacenti. In un quadro si distinguono il contenitore, chiamato dalla norma involucro (che svolge la funzione di supporto e protezione meccanica dei differenti componenti contenuti), e l equipaggiamento elettrico, costituito dagli apparecchi, dalle connessioni interne e dai terminali di entrata e di uscita per il collegamento dell impianto. Il presente Quaderno Tecnico intende dedicare particolare attenzione alle apparecchiature contenute nel quadro, fornendo al lettore le informazioni basilari e indispensabili per effettuare nel modo più semplice e corretto la scelta degli interruttori da installare all interno dei quadri di bassa tensione, con particolare attenzione alla gamma di prodotti ABB SACE. Dopo una breve panoramica sulle principali norme di prodotto 1 relative a quadri e interruttori, rispettivamente la CEI EN e la CEI EN che recepiscono nella loro totalità le corrispondenti norme internazionali IEC, vengono analizzate le problematiche più importanti che un quadrista si trova ad affrontare nella realizzazione di un quadro. Il Quaderno Tecnico risulta così articolato in tre parti fondamentali relative alle problematiche legate al riscaldamento nel quadro, alle indicazioni per migliorare la portata degli interruttori e alle problematiche che si generano in un quadro a causa del cortocircuito. 1 La norma di prodotto CEI EN si applica ai quadri di BT, per i quali la tensione nominale non sia superiore a 1000 V in corrente alternata con frequenza non superiore a 1000 Hz, oppure a 1500 V in corrente continua. La norma di prodotto CEI EN si applica agli interruttori automatici, i cui contatti principali sono da inserire in circuiti di tensione nominale non sia superiore a 1000 V in corrente alternata e a 1500 V in corrente continua. 2 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione

5 1 Il riscaldamento nei quadri elettrici 1.1 Generalità Uno dei principali problemi che si incontrano e che rendono difficile l identificazione della corretta tipologia di interruttore da installare all interno di un quadro è la determinazione della massima corrente che l apparecchio potrà portare continuativamente senza danneggiamenti o invecchiamenti precoci in relazione alla temperatura alla quale lavora. La totale libertà d azione che ha il quadrista nel realizzare quadri con componenti diversi per numero, posizione e dimensione, rende differenti le condizioni d installazione di uno stesso interruttore, quindi risulta impossibile determinarne con esattezza la portata massima in corrente che, influenzata appunto dalle particolari condizioni di lavoro, risulta differente da quella indicata dal costruttore e riferita a condizioni standard. 1.2 La portata in corrente Analizzeremo ora come il concetto di portata in corrente è trattato nelle diverse norme, in particolare nella norma di prodotto relativa agli interruttori ed in quella relativa ai quadri elettrici di bassa tensione. Gli interruttori, conformemente a quanto prescritto dalla Direttiva Europea Bassa Tensione 2006/95/CE, sono costruiti e sottoposti a prove secondo la norma di prodotto CEI EN (CEI 17-5) Apparecchiature a bassa tensione Parte 2: Interruttori automatici, identica alla norma internazionale IEC Low-voltage switchgear and controlgear Part 2: Circuit-breakers. Per quanto riguarda la verifica della portata in servizio continuativo, la norma CEI EN precisa le condizioni in cui deve essere effettuata la prova. Riportiamo qui sotto le più importanti: - la portata è verificata in aria libera la norma CEI EN Apparecchiature a bassa tensione Parte 1: Regole generali specifica nel dettaglio cosa si intende per aria libera: Per aria libera, si intende aria nelle condizioni normalmente esistenti all interno (per interno si intende non all interno di quadri o involucri ma all interno di edifici o ambienti similari), ragionevolmente priva di correnti e radiazioni esterne non possono quindi esserci radiazioni esterne (per esempio quelle dovute ai raggi solari - figura1) o correnti d aria che non siano dovute al naturale moto convettivo originato dal riscaldamento (figura.1a) Fig.1 Fig.1a - la portata è verificata collegando all interruttore conduttori con sezione (massima) e lunghezza (minima) specificate nella norma questo vuole significare che le condizioni standard sono riferite anche alla modalità di connessione all interruttore - la portata è verificata accertandosi che durante la prova la sovratemperatura ammessa su diverse parti dell interruttore non sia oltrepassata queste sovratemperature, intese non come temperature assolute, ma come differenza di temperatura, sono espresse in Kelvin e sono riferite ad una temperatura dell aria ambiente pari a 40 C. Per ovvie ragioni, gli interruttori sono installati generalmente all interno d involucri che assolvono diverse funzioni tra le quali: - rendere inaccessibili alle persone le connessioni dei diversi apparecchi (se non a seguito di azioni volontarie); - fornire un alloggiamento fisico agli interruttori che permetta una stabilità del posizionamento; - garantire un adeguata protezione contro la penetrazione di corpi solidi estranei e contro l ingresso di sostanze liquide. Questi involucri sono chiamati quadri elettrici e rispondono ad una specifica norma di prodotto, la CEI EN (CEI 17-13) Apparecchiature assiemate di protezione e di manovra per bassa tensione (quadri BT) Parte 1: Apparecchiature soggette a prove di tipo (AS) e apparecchiature parzialmente soggette a prove di tipo (ANS), identica alla norma internazionale IEC Le condizioni d installazione all interno di un quadro elettrico sono però differenti rispetto alle condizioni standard previste dalla CEI EN , sulla base delle quali è verificata la portata di un interruttore in aria libera. All interno del quadro le condizioni intrinseche (cablaggio, segregazioni, disposizione dei vari apparecchi) costrin- 1 Il riscaldamento nei quadri elettrici Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 3

6 1 Il riscaldamento nei quadri elettrici gono l interruttore a lavorare in condizioni caratterizzate prevalentemente dai seguenti aspetti: - non in aria libera, ma con vincoli sulla circolazione dell aria in particolare possiamo avere quadri con forme di segregazione elevata (figura 2) oppure quadri con ventilazione forzata o quadri climatizzati Fig.2 - il cablaggio degli interruttori è realizzato con conduttori di sezione e lunghezza stabiliti dal quadrista - con una temperatura dell aria intorno all interruttore che dipende da come è realizzato il quadro e da quali apparecchi sono installati nello stesso. In particolare, il differente grado di protezione e la modalità di posizionamento del quadro nell ambiente fanno variare la quantità di calore scambiato verso l esterno e conseguentemente anche la temperatura dell aria all interno del quadro. A conclusione di queste considerazioni si vede come le condizioni che portano il costruttore a definire una portata ininterrotta nominale per il singolo interruttore sono fondamentalmente diverse dalle condizioni in cui l interruttore verrà poi utilizzato all interno di un quadro; risulta quindi ovvio che la portata degli interruttori determinata in accordo alla relativa norma di prodotto non può essere considerata, senza le opportune valutazioni, uguale alla portata quando questi sono installati in quadro. Questa concetto è comunque accennato anche nella norma CEI EN che, nelle prescrizioni relative alla sovratemperatura, ricorda come nel servizio ordinario le portate possono essere diverse da quelle riscontrate in prova, a causa ad esempio delle diverse condizioni di installazione o delle diverse sezioni dei conduttori usati. Inoltre, anche la norma relativa agli interruttori di bassa tensione CEI EN , nelle condizioni generali di prova, ricorda che le prove prescritte non escludono la necessità di effettuare prove aggiuntive sugli interruttori quando installati in insiemi, per esempio in accordo con la CEI EN Verifica delle sovratemperature mediante prova (secondo la CEI EN ) La norma quadri CEI EN non fa riferimento ai singoli componenti presenti, ma all apparecchiatura intesa come combinazione di uno o più apparecchi di protezione e manovra completi di eventuali dispositivi di comando, misura, protezione e regolazione, montati e cablati con connessioni elettriche e meccaniche interne. Con riferimento quindi alla portata in corrente, la norma quadri prende in considerazione la corrente nominale che caratterizza il singolo circuito elettrico e non la corrente nominale dei singoli componenti quali interruttori o conduttori. Secondo la definizione, la corrente nominale di un circuito è definita dal costruttore del quadro in funzione dei valori nominali, della disposizione fisica e dell utilizzazione dei componenti elettrici del circuito. Questa corrente deve essere sopportata senza che il riscaldamento delle diverse parti dell apparecchiatura superi i limiti specificati quando la prova è effettuata in conformità alle prescrizioni della norma stessa. Le modalità di esecuzione della prova di riscaldamento forniscono due prescrizioni che risultano essere di maggior interesse: - i circuiti del quadro devono essere provati con una corrente pari alla corrente nominale moltiplicata per il fattore di contemporaneità fc, inteso come rapporto tra il valore massimo della somma, in un momento qualsiasi, delle correnti effettive che passano in tutti i circuiti principali considerati e la somma delle correnti nominali degli stessi Iprova = In C x fc - se non sono note informazioni dettagliate sui conduttori esterni che saranno impiegati nel normale esercizio del quadro, la norma impone delle sezioni dipendenti dalla corrente nominale dei circuiti. Per ulteriori prescrizioni su argomenti correlati si rimanda alle indicazioni fornite dalla norma stessa. Dalle due prescrizioni precedenti si evince che: - se esiste un fattore di contemporaneità fc<1 (non tutte le utenze sono alimentate al 100% della loro corrente nominale), i circuiti del quadro sono provati ad una corrente inferiore rispetto alla corrente nominale di pieno carico, comunque la prova deve essere eseguita su quei circuiti che permettono di riprodurre le condizioni di sovratemperatura più gravose; - se il quadro verrà cablato con conduttori di sezione 4 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione

7 minore rispetto a quelli prescritti dalla norma e utilizzati nella prova, durante il normale esercizio potrebbero riscontrarsi valori di sovratemperatura superiori ai valori massimi ammissibili e riscontrati nella verifica. Con un esempio numerico cerchiamo di illustrare quanto in precedenza esposto: facciamo riferimento al quadro rappresentato in figura 3, le cui utenze sono cablate con gli stessi conduttori con i quali sarà messo in servizio e per le quali il quadrista indica la corrente nominale dei circuiti e assegna un fattore di contemporaneità fc allo scomparto del quadro oggetto della prova. In queste condizioni il quadro, o la porzione di quadro, viene provato caricando contemporaneamente tutti i circuiti presenti con una corrente di prova pari alla corrente nominale assegnata moltiplicata per fc. Fig.3 IG I1 A C B D E I2 = 160A fc=0.8 I2p= 128A I3 = 400A fc=0.8 I3p = 320A I4 = 250A fc=0.8 I4p = 200A I5 = 630A fc=0.8 I5p = 504A I6 = 160A fc=0.8 I6p = 128A I7 = 400A fc=0.8 I7p = 320A Quindi in un quadro la corrente nominale di un circuito non è quella assegnata, ma è quella che si determina considerando il fattore di contemporaneità assegnato. Secondo queste condizioni di prova si determinano i valori di temperatura assoluta T T, espressi in C, alla quale lavorano i vari componenti del quadro, e con riferimento a una temperatura media dell aria ambiente T A inferiore o pari a 35 C, i limiti di sovratemperatura ΔT = (T T - T A ) imposti dalla norma CEI EN non devono essere superati. Di seguito, in tabella 1, riportiamo per i vari componenti del quadro le indicazioni dei valori di sovratemperatura e i relativi commenti forniti dalla norma CEI EN (aggiornamento dell appendice A1 del marzo 2005) che I2 I3 I4 I5 I6 I7 hanno validità quando la verifica della temperatura è condotta mediante prova secondo la prescrizione della norma stessa. Tabella 1 Parti di una apparecchiatura Componenti incorporati Per esempio apparecchi convenzionali di protezione e di manovra; sottoassiemi elettronici come ponti raddrizzatori e circuiti stampati; parti di equipaggiamento come regolatore, alimentatore stabilizzatore di potenza, amplificatore operazionale. Terminali per conduttori esterni isolati Sbarre e conduttori, contatti di innesto di parti asportabili o estraibili che si collegano alle sbarre Organi di comando manuale: Accessibili dopo apertura del quadro chiuso di metallo di materiale isolante Accessibili solo a quadro aperto di metallo di materiale isolante Sovratemperatura (valori o prescrizioni) In accordo con le relative prescrizioni delle norme di prodotto per i componenti singoli, o secondo le istruzioni del costruttore dei componenti, tenendo in considerazione la temperatura all interno del quadro. 70K Un quadro utilizzato o provato nelle condizioni di installazione può avere connessioni di tipo, natura e disposizione diverse da quelle utilizzate per la prova; può quindi risultare ed essere richiesta o accettata una sovratemperatura diversa sui terminali di connessione. Quando i terminali dei componenti incorporati sono anche i terminali per i conduttori esterni isolati, si deve applicare il limite di sovratemperatura più basso. Limitata da: - resistenza meccanica del materiale conduttore; - possibili influenze sull apparecchiatura adiacente; - limite di temperatura ammissibile per i materiali isolanti a contatto con il conduttore; - influenza della temperatura del conduttore sugli apparecchi ad esso connessi; - per i contatti ad innesto, natura e trattamento superficiale del materiale dei contatti. Supponendo che tutti gli altri criteri elencati siano soddisfatti, una sovratemperatura massima di 105K per sbarre e conduttori di rame nudi non deve essere superata per garantire la resistenza meccanica del materiale conduttore. 15K 25K 40K 50K Involucri e coperture esterne accessibili: Richiedono di essere toccati in normale servizio di metallo 30K di materiale isolante 40K Non richiedono di essere toccati in normale servizio di metallo 40K di materiale isolante 50K Connessioni particolari del tipo presa a spina e spina Determinata dai limiti fissati per i componenti dell equipaggiamento di cui fanno parte Gli interruttori rientrano nella definizione di componenti incorporati e dovranno quindi rispondere alle prescrizioni 1 Il riscaldamento nei quadri elettrici Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 5

8 1 Il riscaldamento nei quadri elettrici delle norme di prodotto. Risulta evidente però che l interruttore e in particolare alcune sue parti (ad esempio le parti accessibili e gli organi di manovra) possono anche essere considerate a tutti gli effetti parte del quadro. In particolare, questo vale per i terminali a cui vengono connessi i conduttori esterni isolati, i quali, secondo i commenti riportati in tabella 1, dovranno rispondere alla prescrizione più restrittiva tra quelle fornite dalla norma degli interruttori e dei quadri. Per esplicitare meglio questo concetto riportiamo in tabella 2 e in figura 4 le indicazioni relative alla sovratemperatura fornite nella norma CEI EN per l interruttore inteso come apparecchio singolo in aria libera. Tabella 2 Descrizione della parte Limite di sovratemperatura Limite di temperatura (partendo da T A = 40 C) Terminali 80K 120 C Organi per la manovra manuale: parti metalliche 25K 65 C parti di materiale isolante 35K 75 C Parti intese ad essere toccate ma non afferrate: metalliche 40K 80 C di materiale isolante 50K 90 C Parti che non necessitano di essere toccate durante le normali operazioni: metalliche 50K 90 C di materiale isolante 60K 100 C Fig.4 dell interruttore una temperatura massima di 120 C, così per differenza si ottiene che la sovratemperatura massima ammissibile per i terminali dell interruttore è pari a 85K. Nel caso in cui ci si attesti ai terminali dell interruttore con cavi isolati in PVC, allora è la temperatura del componente cavo che determina la massima temperatura ammessa sui i terminali, che in questo caso è di 70 C. Invece se la connessione all interruttore è costituita da sbarre di rame nudo la cui temperatura massima di lavoro è di 105 C, in questo caso è la prescrizione per i terminali del componente interruttore che determina la massima temperatura di lavoro e quindi 85 C. Nella tabella 3 e in figura 5, come sintesi di quanto detto in precedenza, riportiamo i limiti di sovratemperatura e di temperatura massimi ammissibili per le varie parti come indicato nella norma dei quadri, e le sovratemperature ammesse per un interruttore installato in quadro rivalutate con riferimento alla temperatura dell aria T A = 35 C. Tabella 3 Descrizione della parte Terminali per conduttori esterni isolati (CEI EN ) Terminali (per interruttore in quadro) Limite di sovratemperatura Limite di temperatura (partendo da T A = 35 C) 70K 105 C 85K 120 C Organi per la manovra manuale: Accessibili a quadro chiuso (CEI EN ) parti metalliche 15K 50 C parti di materiale isolante 25K 60 C Accessibili a quadro aperto (per interruttore in quadro) parti metalliche 30K 65 C parti di materiale isolante 40K 75 C Dalla tabella 2 si vede come per l interruttore in aria libera, sui terminali è ammessa una sovratemperatura ΔT=80K; quindi, prendendo come riferimento una temperatura ambiente T A = 40 C, si deduce che la temperatura massima ammessa sia T T = (ΔT + T A ) = 120 C. Le prescrizioni per la sovratemperatura riportate nella norma dei quadri fanno invece riferimento ad una temperatura media dell aria ambiente T A = 35 C e per i terminali del quadro per conduttori esterni isolati è ammessa una sovratemperatura di 70K e quindi una temperatura di funzionamento di 105 C. Se l interruttore è inserito in quadro, deve appunto essere considerata una temperatura di riferimento di 35 C, e la tabella 1, con riferimento ai commenti riportati per i componenti incorporati (l interruttore è un componente del quadro), permette al costruttore di indicare per i terminali 6 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione Parti intese ad essere toccate ma non afferrate: (CEI EN ) metalliche 30K 65 C di materiale isolante 40K 75 C Parti accessibili che non necessitano di essere toccate durante le normali operazioni (CEI EN ) metalliche 40K 75 C di materiale isolante 50K 85 C Parti non accessibili e che non necessitano di essere toccate durante le normali operazioni (per interruttore in quadro) metalliche 55K 90 C di materiale isolante 65K 100 C Fig.5 Connessione con cavo isolato PVC Connessione con sbarra

9 1.4 Verifica delle sovratemperature mediante estrapolazione La norma relativa ai quadri elettrici di bassa tensione prevede per i quadri ANS che la verifica delle sovratemperature possa essere eseguita anche mediante estrapolazione con specifico rimando alle prescrizioni date nella norma CEI o IEC/TR Metodo per la determinazione delle sovratemperature, mediante estrapolazione, per le apparecchiature assiemate di protezione e di manovra per bassa tensione (quadri BT) non di serie (ANS). Il metodo proposto permette di determinare la sovratemperatura dell aria all interno dell involucro ANS senza ventilazione forzata. La validità del calcolo è limitata da una serie di ipotesi iniziali: - la ripartizione della potenza dissipata all interno dell involucro è sostanzialmente uniforme; - l apparecchiatura installata è disposta in modo da non ostacolare, se non in maniera modesta, la circolazione dell aria; - l apparecchiatura installata è prevista per c.c. o per c.a. fino a 60 Hz compresi, con la somma delle correnti dei circuiti di alimentazione non superiore a 3150 A; - i conduttori che trasportano le correnti elevate e le parti strutturali sono disposti in modo che le perdite per correnti parassite siano trascurabili; - per gli involucri con aperture di ventilazione, la sezione delle aperture d uscita dell aria è almeno 1.1 volte la sezione delle aperture di entrata; - non ci sono più di tre diaframmi orizzontali nel quadro o in uno dei suoi scomparti; - qualora gli involucri con aperture esterne di ventilazione siano suddivisi in celle, la superficie delle aperture di ventilazione in ogni diaframma interno orizzontale deve essere almeno uguale al 50% della sezione orizzontale della cella. Per effettuare un analisi della sovratemperatura secondo questo metodo, ABB SACE mette a disposizione il software OTC. Questo modulo di calcolo, partendo dai dati in ingresso richiesti, fornisce la temperatura dell aria alle diverse altezze del quadro, attraverso un interfaccia dedicata che appare come nell immagine di seguito riportata. Una volta calcolata la temperatura dell aria alle diverse altezze del quadro è possibile verificare se i componenti che si trovano in quella posizione sono idonei a funzionare a quella temperatura o se devono essere sostituiti da componenti diversi. Ai fini di questa valutazione, per quanto riguarda gli interruttori, ABB SACE fornisce un derating della portata in funzione della temperatura dell aria intorno all interruttore: risulta così possibile valutare se la portata ammessa per l interruttore alla temperatura calcolata nel punto d installazione dello stesso risulta superiore alla corrente dell utenza alimentata. È doveroso ricordare che, per quanto detto in precedenza, la semplice conoscenza della temperatura dell aria intorno all interruttore non consentirebbe di stabilirne correttamente la portata; dobbiamo però considerare che il metodo di calcolo proposto dalla CEI è un metodo conservativo che porta a temperature generalmente superiori a quelle riscontrabili nella realtà. Si può quindi sostenere che, se si rispettano le dimensioni minime dei collegamenti consigliati da ABB (vedere tabelle 16 e 17 alla pagina 21), e si calcolano correttamente le potenze dissipate da tutti i componenti e si integrano i risultati così ottenuti con l esperienza del quadrista, è possibile utilizzare il metodo di calcolo proposto senza incorrere in errori. Interfaccia OTC 1 Il riscaldamento nei quadri elettrici I dati necessari per determinare la temperatura dell aria all interno del quadro sono: - le dimensioni geometriche; - la totale potenza dissipata dagli apparecchi, dalle sbarre, dai cavi e dalle connessioni; - il posizionamento del quadro (esposto, separato, coperto su un lato...); - la presenza e le dimensioni delle aperture di ventilazione; - il numero di setti orizzontali. Per l analisi dei metodi di calcolo proposto si rimanda il lettore alla consultazione della norma stessa. Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 7

10 2 Consigli per migliorare la portata degli interruttori in quadro Per fornire una serie di indicazioni sui metodi da adottare per migliorare la portata degli interruttori in quadro è necessario, prima di tutto, fare un breve e semplice cenno alla termodinamica di un quadro elettrico. Il quadro elettrico può essere considerato una struttura al cui interno una serie di elementi generano calore, e capace a sua volta di dissipare calore verso l esterno. Il calore che si genera all interno del quadro interagisce con il quadro stesso e viene perciò scambiato tra i vari apparecchi che lo hanno generato (conduzione), con l aria all interno del quadro (convezione) e con le pareti del quadro stesso (irraggiamento) come schematizzato in figura 6. Fig.6 Conduzione Convezione Interruttore Interruttore Calore Sbarre di connessione Calore Calore irraggiamento, come schematizzato in figura 7. Nei quadri con grado di protezione non troppo elevato, oppure con aperture di ventilazione, parte del calore viene scambiato attraverso una vera e propria circolazione di aria tra il quadro e l ambiente esterno. Fig.7 Aria esterna Aria interna Sbarre di connessione Irraggiamento Interruttore Sbarre di connessione Il quadro a sua volta scambia calore verso l ambiente esterno. Questo scambio avviene anch esso per conduzione (attraverso i cavi collegati al quadro), convezione ed Parete del quadro Tutti questi fenomeni di circolazione e scambio d aria interna ed esterna, unita alla struttura del quadro, influenzano la temperatura in ogni punto del quadro stesso e di ogni componente in esso installato. Lo scopo di questo capitolo è quello di analizzare i principali elementi che concorrono a generare e condizionare la temperatura in un quadro, cercando di fornire informazioni utili per una loro ottimizzazione al fine di ridurre la temperatura e quindi ridurre il declassamento della portata in corrente dell interruttore. Tali elementi sono: - la potenza dissipata all interno del quadro; - lo smaltimento del calore prodotto all interno del quadro; - lo smaltimento del calore prodotto nei terminali. 8 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione

11 2.1 Potenza dissipata all interno del quadro Come noto, una variazione di temperatura può essere prodotta a causa di una dissipazione di potenza legata al passaggio di corrente. Si vedranno ora nel dettaglio gli elementi presenti in un quadro che costituiscono le principali sorgenti di potenza dissipata e, quindi, di calore all interno del quadro e quali accorgimenti devono essere adottati per ridurre la dissipazione e limitarne gli effetti. I principali elementi che andremo a considerare sono: la conformazione della struttura interna, la tipologia di interruttore installato, la sezione dei conduttori interni al quadro, ed i percorsi effettuati dalla corrente Conformazione struttura interna Nei quadri spesso accade che il materiale utilizzato per realizzare la struttura e le segregazioni sia di tipo ferromagnetico e conduttore. Se la geometria del sistema è tale da creare un percorso chiuso che abbraccia i conduttori, si generano perdite per effetto joule, dovute alle correnti parassite indotte, e perdite per isteresi, con conseguenti riscaldamenti locali anche di notevole entità. Lo stesso fenomeno si manifesta nelle blindosbarre tra l involucro e i condotti sbarre. A puro titolo esemplificativo, per mostrare l influenza di questo fenomeno, riportiamo nella tabella 4 il valore percentuale indicativo che rappresenta la quota parte delle perdite che si sviluppano nell involucro, riferito alla potenza dissipata nei condotti sbarre. tre i conduttori di un sistema trifase, come in figura 8 (o tutti e quattro i conduttori nel caso di sistema con neutro), la sommatoria delle correnti dà luogo ad un induzione nulla, mentre se, attorno ad ogni conduttore si forma una spira (figura 8a), l induzione totale non è nulla, con conseguente circolazione di corrente indotta, potenza dissipata e quindi generazione di calore. Fig.8 Anche il fissaggio meccanico dei conduttori potrebbe generare questo inconveniente, è perciò importante impedire la formazione di spire chiuse inserendo ad esempio setti di separazione o ancoraggio in materiale amagnetico e/o isolante (vedere figura 9). Fig.9 Nessuna induzione Materiale ferromagnetico della segregazione Terminali Fig.8a Struttura portante in materiale amagnetico Induzione di corrente Sbarre Da questi dati si può osservare come l aumentare della corrente nominale, e quindi il numero di sbarre in parallelo per fase, e la tipologia di materiale utilizzato per realizzare la segregazione delle sbarre conduttrici possano influenzare in maniera rilevante il riscaldamento. Isolatore Sbarre di un polo Per una valutazione delle perdite bisogna anche considerare la geometria della forma della segregazione: infatti, se una spira di materiale ferromagnetico circonda tutti e Tabella 4 n Fasi n Sbarre in parallelo per fase Sezione [mm] In [A] Materiale dell involucro (blindosbarre) Perdite nell involucro % delle perdite totali nei condotti sbarre x ferromagnetico 35% - 45% x ferromagnetico 55% - 65% x amagnetico (alluminio) 15% - 20% Tipologia di interruttore istallato L interruttore è un elemento del quadro che ovviamente deve essere preso in considerazione nel computo della potenza tolale dissipata. Per facilitare questa valutazione, ABB SACE fornisce le tabelle di seguito riportate relative rispettivamente a interruttori scatolati serie Tmax (tabella 5) ed a interruttori aperti serie Emax (tabella 6). Come si può osservare dalle tabelle riportate, la dissipazione di potenza da parte di uno stesso interruttore varia in relazione all esecuzione e alla tipologia di relè di protezione installato. Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 9

12 Con riferimento a queste due variabili si può dire che: - gli interruttori estraibili dissipano potenze superiori rispetto a quelli in esecuzione fissa; - gli interruttori equipaggiati con sganciatori termomagnetici dissipano potenze superiori rispetto agli interruttori equipaggiati con sganciatori elettronici. In situazioni particolarmente gravose dal punto di vista termico è quindi consigliabile l utilizzo d interruttori in Tabella 5 esecuzione fissa ed equipaggiati con sganciatori di tipo elettronico. Non si considera differente la dissipazione di un interruttore in versione tripolare rispetto ad una versione tetrapolare, poiché in un normale circuito si ipotizza trascurabile la corrente che transita nel conduttore di neutro. Potenza dissipata totale In T11P T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 S,H,L T7 V (3/4 poli) [W] [A] F F F P F P F P/W F P/W F W F W F W Relé TMF TMD TMA MF MA PR PR PR ,9 105, ,9 351, F:fisso W:estraibile P:rimovibile Tabella 6 Potenza dissipata totale X1B-N X1L E1B-N E2B-N-S E2L E3N-S-H-V E3L E4S-H-V E6H-V (3/4 poli) [W] F W F W F W F W F W F W F W F W F W In= In= In= In= In= In= In= In= In= In= In= F:fisso W:estraibile P:rimovibile 10 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione

13 2.1.3 Sezione dei conduttori interni al quadro Nei quadri di distribuzione primaria la potenza dissipata dai sistemi di connessione (sbarre/cavi) è in genere compresa tra il 20% ed il 40% della potenza totale dissipata nel quadro. La norma CEI (IEC/TR 60890) fornisce una serie di tabelle che indicano, con riferimento alla portata, la potenza dissipata da cavi e sbarre interne al quadro per unità di lunghezza. Tramite queste tabelle (di seguito indicate come tabelle 7 8 9) è possibile mettere in luce come ad un aumento di sezione venga a corrispondere una diminuzione della Tabella 7: Corrente di funzionamento e potenze dissipate dei conduttori isolati Sezione (Cu) corrente di funzionamento 1) potenza dissipata all interno del quadro. Si ritiene inoltre utile far osservare come i cavi che entrano nel quadro dall esterno diano un contributo non trascurabile alla potenza dissipata, mentre spesso essi non sono considerati nel calcolo poiché non sono considerati strettamente parte del quadro. Di seguito, tramite un esempio, viene mostrato come il contributo dei cavi di collegamento sia determinante per la corretta valutazione della totale potenza dissipata dai componenti interni al quadro. Temperatura massima ammessa del conduttore 70 C d d d d Temperatura dell aria intorno ai conduttori all interno dell involucro 35 C 55 C 35 C 55 C 35 C 55 C potenze dissipate 2) corrente di funzionamento potenze dissipate 2) corrente di funzionamneto potenze dissipate 2) mm 2 A W/m A W/m A W/m A W/m A W/m A W/m corrente di funzionamento potenze dissipate 2) corrente di funzionamento potenze dissipate 2) corrente di funzionamento potenze dissipate 2) Conduttori per i circuiti ausiliari mm 2 A W/m A W/m Diam ) Ogni disposizione desiderata con i valori specifici si riferisce a un gruppo di conduttori raggruppati in fascio (6 conduttori caricati al 100%) 2) Lunghezza singola Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 11

14 Tabella 8: Corrente di funzionamento e potenze dissipate dalle sbarre nude, con disposizione verticale, senza connessioni dirette con l apparecchio Larghezza x Spessore Sezione (Cu) corrente di funzionamento Temperatura dell aria intorno ai conduttori all interno dell involucro: 35 C Temperatura massima ammessa del conduttore 85 C Temperatura dell aria intorno ai conduttori all interno dell involucro: 55 C 50 Hz 60 Hz c.a. c.c.; c.a. con 16 2/3 Hz 50 Hz 60 Hz c.a. c.c.; c.a. con 16 2/3 Hz potenze dissipate 1) corrente di funzionamento potenze dissipate 1) corrente di funzionamento potenze dissipate 1) corrente di funzionamento mm x mm mm 2 A* W/m A** W/m A* W/m A** W/m A* W/m A** W/m A* W/m A** W/m 12 x x 2 15 x x 2 20 x 3 20 x 5 20 x x x 5 30 x x 5 40 x x 5 50 x x 5 60 x x 5 80 x x x x *) un conduttore per fase **) due conduttori per fase 1) lunghezza singola Tabella 9: Corrente di funzionamento e potenze dissipate delle sbarre nude utilizzate come connessioni tra l apparecchio e le sbarre principali Larghezza x Spessore Sezione (Cu) Temperatura dell aria intorno ai conduttori all interno dell involucro: 35 C potenze dissipate 1) corrente di funzionamento potenze dissipate 1) corrente di funzionamento Temperatura massima ammessa del conduttore 65 C potenze dissipate 1) corrente di funzionamento potenze dissipate 1) corrente di funzionamento Temperatura dell aria intorno ai conduttori all interno dell involucro: 55 C 50 Hz 60 Hz c.a. e c.c. 50 Hz 60 Hz c.a. e c.c. potenze dissipate 1) corrente di funzionamento potenze dissipate 1) corrente di funzionamento potenze dissipate 1) corrente di funzionamento potenze dissipate 1) corrente di funzionamento potenze dissipate 1) mm x mm mm 2 A* W/m A** W/m A* W/m A** W/m 12 x x 2 15 x x 2 20 x 3 20 x 5 20 x x x 5 30 x x 5 40 x x 5 50 x , x 5 60 x x 5 80 x x x x *) un conduttore per fase **) due conduttori per fase 1) lunghezza singola 12 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione

15 Esempio Lo scopo di questo esempio è valutare in prima approssimazione la potenza totale dissipata all interno del quadro di cui viene fornito in figura 10 il fronte quadro con la disposizione dei componenti, le dimensioni, la struttura, e il relativo schema unifilare. Fig.10 Fronte quadro I1 I2 I3 I4 I5 B C D E F A IG H P Schema unifilare IG Gli elementi che compongono il quadro sono gli interruttori, le sbarre e i cavi. Si procede valutando la potenza dissipata da ciascun componente per poi determinare la potenza complessiva dissipata. L Numero di partizioni orizzontali = 0 Involucro separato per montaggio a muro Dimensioni H L [mm] [mm] P [mm] I1 I2 I3 I4 I5 Interruttori Per gli interruttori la potenza dissipata può essere determinata sulla base della potenza dissipata Pn CB alla corrente nominale In CB (vedere precedenti tabelle 5 e 6) riferita alla corrente che effettivamente attraversa l interruttore Ib (corrente reale di carico del circuito). La formula che lega queste tre grandezze è la seguente: P CB = Pn CB x (Ib / In CB ) 2 Quindi, con riferimento alla tipologia di apparecchio presente nel quadro, il contributo in potenza dissipata dal singolo interruttore alla corrente di carico e poi la potenza totale dissipata sono riportati nella seguente tabella 10. Tabella 10 Interruttore In CB [A] Ib [A] Potenza dissipata [W] IG E EL I1 T5 400 EL I2 T5 400 EL I3 T5 400 EL I4 T3 250 TMD I5 T3 250 TMD Potenza totale dissipata dagli interruttori [W] 234 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 13

16 Sbarre Per le sbarre principali, le sbarre di distribuzione e le barre di congiunzione che connettono gli interruttori la reale potenza dissipata può essere determinata partendo dalle potenze dissipate, alla corrente nominale e per unità di lunghezza, come riportato nelle precedenti tabelle 8 e 9. La formula da impiegare per riferire i dati in tabella alle caratteristiche (corrente di carico e lunghezza) delle sbarre presenti nel quadro è la seguente: P SB = Pn SB (Ib/In SB ) 2 x 3 x L SB Quindi, con riferimento alla tipologia, alla lunghezza L e alla corrente di carico delle sbarre presenti nel quadro, il contributo in potenza dissipata dal singolo tratto e poi la potenza totale dissipata sono riportati nella seguente tabella 11. Tabella 11 Barra di connessione Sezione nx[mm]x[mm] Lunghezza [m] Ib [A] Potenza dissipata [W] IG 2x60x I1 30x I2 30x I3 30x I4 20x I5 20x Potenza totale dissipata dalle barre di connessione [W] 68 Cavi Per i cavi, con riferimento alla precedenta tabella 7, può essere applicato lo stesso metodo utilizzato per le sbarre e il risultato a cui si giunge è riportato nella tabella 12. Tabella 12 Tabella 12 Cavo Sezione nx[mm 2 ] Lunghezza [m] Ib [A] Potenza dissipata [W] IG 4x I I I I I Potenza totale dissipata dai cavi [W] 332 La totale potenza dissipata all interno del quadro è quindi data dalla somma dei tre contributi in precedenza determinati, per cui P TQ = =784W Si osserva come, se non si tenesse in conto il contributo dei cavi (332W), la totale potenza dissipata sarebbe pari a 452W e si avrebbe quindi una stima della temperatura molto inferiore a quella reale. 14 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione

17 2.1.4 Percorsi effettuati dalla corrente Il posizionamento degli apparecchi e dei conduttori può portare ad una differente potenza dissipata all interno del quadro. Buona regola è quella di cercare di posizionare gli interruttori, come indicato in figura 11, in modo da rendere più brevi possibili i percorsi delle correnti più elevate. In tal modo, contrariamente a quanto avviene in una installazione come in figura 11a, si riduce la potenza dissipata all interno del quadro e si hanno indubbi benefici dal punto di vista termico. Fig.11 Posizionamento consigliato: La corrente maggiore (500 A) fa il percorso più breve 50 A 50 A 100 A 300 A 500 A Nel caso di quadri con molte colonne è consigliabile, ove possibile, posizionare l interruttore generale nella colonna centrale o comunque in posizione baricentrica rispetto alla distribuzione dei carichi come rappresentato in figura 12; in questo modo, dividendo la corrente nei due rami del sistema sbarre del quadro, si ottiene - a parità di sezione - una notevole riduzione della potenza dissipata rispetto ad una configurazione con arrivo all estremità come in figura 12a, soluzione che implica circolazioni di correnti più elevate. Fig.12 Sbarre Cavi Soluzione meno gravosa dal punto di vista termico Fig.12a Sbarre 3200 A 2000 A 1200 A 3200 A 3200 A INGRESSO USCITA Fig.11a Posizionamento sconsigliato: La corrente maggiore (500 A) fa il percorso più lungo Cavi 500 A Soluzione più gravosa dal punto di vista termico 300 A 100 A 50 A 50 A INGRESSO USCITA Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 15

18 2.2 Smaltimento del calore prodotto all interno del quadro Dopo aver analizzato le principali sorgenti di calore e le modalità per contenerne la produzione, si passa ora ad analizzare le modalità grazie alle quali il quadro può smaltire verso l esterno il calore prodotto. Molte di queste considerazioni derivano dalla norma CEI (IEC/TR 60890), che fornisce formule e tabelle nelle quali vengono messe in relazione caratteristiche costruttive e modalità di installazione al valore di temperatura che si genera nel quadro a parità di potenza dissipata. In particolare in questo capitolo saranno prese in considerazione la ventilazione del quadro, le superfici del quadro ed il loro posizionamento, le segregazioni del quadro, ed il grado di protezione del quadro Ventilazione del quadro Per aumentare il raffreddamento è importante che sia realizzata e mantenuta una buona circolazione dell aria all interno del quadro (vedere figura 13) che si ottiene ad esempio posizionando e dimensionando correttamente le eventuali aperture presenti. Per quanto riguarda il loro dimensionamento, la norma CEI (IEC/TR 60890) per il calcolo della sovratemperatura all interno del quadro richiede che, per gli involucri con aperture di ventilazione, la sezione delle aperture d uscita dell aria sia almeno 1.1 volte la sezione delle aperture di entrata. Questo requisito è motivato dal maggior volume dell aria calda (in uscita dal quadro) rispetto al volume dell aria fredda (in entrata nel quadro). In pratica, se non si segue questa prescrizione, non si sfrutta appieno la superficie d entrata dell aria nel quadro. Fig.13 Per quanto riguarda il posizionamento delle aperture di ventilazione queste devono essere poste in modo da creare il così detto effetto camino: un apertura sarà posizionata in basso nella parte frontale del quadro, l altra sarà posizionata in alto, nella parte posteriore, oppure sul tetto del quadro. È importante ricordare che eventuali altre aperture ad altezze intermedie potrebbero portare ad una riduzione dell effetto camino, si avrebbe cioè una diminuzione del tiraggio dell aria. Per non ostacolare il flusso dell aria è importante che anche gli apparecchi all interno del quadro siano posti in modo da non ostacolare in maniera eccessiva la circolazione dell aria, riducendone la sezione di passaggio. Nel caso d interruttori estraibili si deve porre attenzione a non ostruire i fori di ventilazione presenti nella parte fissa dell interruttore per non ostacolarne la ventilazione e il raffreddamento (figura 14). Fig Superfici laterali e posizionamento del quadro È necessario tenere presente che il quadro scambia calore con l esterno attraverso la sua superficie (pareti superiore, inferiore e laterali) e quindi, a parità di potenza dissipata dagli elementi interni, più grande sarà la superficie di scambio con l esterno e migliore sarà la condizione di scambio che dipende dalla modalità di installazione, maggiore sarà appunto il calore ceduto verso l esterno. Ad esempio, il quadro elettrico dovrebbe essere posizionato in modo da facilitare o comunque da limitare il meno possibile la naturale circolazione dell aria intorno alla propria superficie esterna migliorando così lo scambio di calore. La norma CEI (IEC/TR 60890) che, come detto in precedenza, propone un metodo per determinare la sovratemperatura dell aria all interno del quadro, non considera la reale superficie geometrica esterna del quadro, ma introduce il concetto di superfcie effettiva di raffreddamento Ae definita come la somma delle superfici individuali (superiore,anteriore, laterale,...) A 0 moltiplicate per il fattore di superficie b. Questo fattore tiene conto della dissipazione di calore delle superfici 16 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione

19 individuali a seconda del tipo di installazione dell involucro, tiene cioè in considerazione la diversa capacità di smaltire calore a seconda della loro posizione e del fatto che siano più o meno libere. I valori indicati per il paramentro b in relazione alle tipologie di superficie sono indicati nella tabella 13. Ae = (A 0 x b) Tabella 13 Fattore di Tipo di installazione superficie b Superficie superiore esposta 1.4 Superficie superiore coperta, es. involucri ad incasso 0.7 Parti laterali esposte, es. parete anteriore, posteriore e pareti laterali 0.9 Parti laterali coperte, es. lato posteriore dell involucro per montaggi a parete 0.5 Parti laterali di involucri centrali 0.5 Non presa in Superficie di fondo considerazione Le segregazioni del quadro Per forma di segregazione si intende il tipo di suddivisione prevista per i vari circuiti all interno del quadro. La segregazione è realizzata mediante barriere o diaframmi metallici o isolanti Per un approfondimento sul significato delle varie forme di segregazione si rimanda al contenuto dell appendice B o alle indicazioni presenti nella norma CEI EN Come ovvio, le forme di segregazione elevate tendono a limitare la circolazione dell aria all interno del quadro con relativa influenza sulla temperatura che si stabilisce all interno del quadro. Per tenere in considerazione questo fenomeno, nelle tabelle 14 e 15, si forniscono i valori del coefficiente d che la norma CEI suggerisce di utilizzare in particolari condizioni per incrementare la sovratemperatura dell aria all interno del quadro in funzione del numero di partizioni orizzontali della colonna in esame. Tabella 14: Per quadri senza apertura di ventilazione, con superficie effettiva di raffreddamento >1.25m 2 Numero di partizioni orizzontali n Fattore d Tabella 15: Per quadri con apertura di ventilazione, con superficie effettiva di raffreddamento >1.25m 2 Numero di partizioni orizzontali n Fattore d Dalle tabelle si osserva come le partizioni orizzontali possano comportare aumenti della temperatura dell aria anche dell ordine del 30% (3 partizioni senza aperture di ventilazione) Grado di protezione del quadro Ricordiamo che il grado di protezione IP indica il livello di protezione dell involucro contro l accesso a parti pericolose, contro la penetrazione di corpi solidi estranei e contro l ingresso di acqua. Il codice IP è il sistema di identificazione dei gradi di protezione in base alle prescrizioni della norma CEI EN Il grado di protezione di un quadro ne influenza la capacità di smaltire il calore: più il grado di protezione è elevato tanto meno il quadro riesce a smaltire calore. Per questa ragione è sconsigliabile utilizzare gradi di protezione elevati quando non risultano necessari. Si deve inoltre tenere ben presente che un determinato grado di protezione può essere raggiunto con diverse modalità. Per esempio la protezione verso la caduta verticale di acqua (IPX1) si può realizzare con modalità tali da non inficiare lo smaltimento di calore e riuscendo a mantenere un effetto camino all interno del quadro. 2.3 Smaltimento del calore prodotto nei terminali Dopo aver analizzato le principali sorgenti di potenza interne al quadro e le modalità di smaltimento del calore, analizziamo come sia possibile migliorare la portata degli interruttori dando indicazioni su come ridurre il riscaldamento localizzato vicino ai terminali. È frequente nella pratica, quando non si sia ottimizzato lo smaltimento del calore prodotto, rilevare dei riscaldamenti localizzati che limitano la massima corrente di impiego del circuito, anche se le temperature medie dell aria interna al quadro non sono elevate. I fenomeni che interessano lo smaltimento del calore da parte dei terminali degli interruttori sono principalmente la convezione (attraverso l aria in movimento nel quadro) e la conduzione (attraverso le barre collegate ai terminali); tali fenomeni sono da mettere in relazione alla tipologia di terminali utilizzati e all esecuzione (fissa, estraibile o rimovibile) dell interruttore installato Problematiche legate alla convezione Come principio generale legato al fenomeno della convezione basato sul moto convettivo dell aria che scaldandosi tende a salire verso l alto, la struttura delle sbarre dovrebbe essere tale da opporre la minima sezione al flusso d aria e da essere lambita dal flusso stesso sulla massima superficie, si dovrebbe quindi realizzare una struttura tipicamente definita a pettine. La tipologia d interruttore che meglio si adatta a realizzare questa configurazione è quella che prevede l utilizzo di terminali posteriori verticali. Forniamo ora a titolo d esempio alcune considerazioni di Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 17