TISYSTEM 5.0 Software tecnico per la progettazione di reti e quadri elettrici in bassa tensione

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1 TISYSTEM 5.0 Software tecnico per la progettazione di reti e quadri elettrici in bassa tensione

2 INTRODUZIONE Tisystem 5.0 è la nuova release in ambiente Windows del software BTicino per il dimensionamento delle reti in bassa tensione e la progettazione sia elettrica che strutturale dei quadri. Il programma aiuta e guida l'utente nelle diverse fasi di lavoro, a partire dalla raccolta dei dati iniziali, attraverso lo studio dello schema elettrico, la scelta degli apparecchi e dei cavi, il dimensionamento strutturale dei quadri, fino alla preventivazione delle apparecchiature ed alla presentazione su stampa dei risultati ottenuti. La nuova versione è stata rivista rispetto alla precedente, introducendo molte nuove funzioni. In questa introduzione vengono brevemente analizzate le varie fasi di dimensionamento di un impianto elettrico in cui TISYSTEM 5.0 risulta essere di valido aiuto al progettista; essa vuole solo essere una rapida panoramica delle possibilità offerte dal programma mentre un esame dettagliato dei singoli argomenti viene affrontata nei capitoli successivi. Raccolta dati iniziali e inserimento dello schema elettrico Nella fase iniziale dello studio di un impianto elettrico il progettista deve raccogliere una serie di informazioni che sono essenziali al fine di scegliere lo schema elettrico di potenza più adatto ed in seguito effettuarne il dimensionamento. Tra gli elementi da considerare in tale studio si ricordano i seguenti: - dati relativi alla tipologia dell'impianto e sua classificazione (impianto elettrico in edifici residenziali, in luoghi di pubblico spettacolo, in locali adibiti ad uso medico, nei luoghi con pericolo di esplosione e di incendio, ecc.) in modo da determinare in modo univoco tutte le norme di riferimento per la progettazione e futura realizzazione dell'impianto - dati relativi alle utenze da alimentare: potenza, tensione, cicli, contemporaneità di funzionamento, loro dislocazione sulla planimetria nell'area considerata - dati relativi alle sorgenti di alimentazione dell'energia elettrica: tensione nominale, frequenza, potenza di corto circuito nel punto di consegna, ecc. - dati relativi alle condizioni ambientali del luogo in cui verrà realizzato l'impianto - specifiche esigenze nei riguardi soprattutto di affidabilità, continuità di servizio, qualità dell'alimentazione Una volta raccolte ed elaborate tutte queste informazioni il progettista può iniziare l'utilizzo del programma TISYSTEM selezionando la tensione d'alimentazione e scegliendo tra sistema TT e TN. Nel primo caso è sufficiente introdurre i valori di corrente di corto circuito trifase e fase-neutro all'origine dell'impianto, mentre nel secondo, una volta scelto lo schema della cabina M.T./B.T. tra otto diverse configurazioni possibili, vengono inseriti i dati tecnici dei trasformatori ed il valore della potenza di corto circuito nel punto di consegna dell'energia. Si disegna poi lo schema elettrico della rete specificando per ogni tratto di linea il tipo di circuito (trifase con o senza neutro, fase-neutro, fase-fase), la lunghezza, la massima 2

3 caduta di tensione ammissibile e, nel caso di circuito terminale, la potenza dei carichi applicati. Una volta inseriti tutti gli input necessari al programma per la progettazione dell'impianto, TISYSTEM dimensiona la rete elettrica passando attraverso le fasi descritte nei paragrafi seguenti. Dimensionamento delle condutture Tra gli aspetti fondamentali di un qualsiasi impianto elettrico vi sono le condutture la cui corretta scelta rappresenta uno dei punti principali di tutta la progettazione. Per determinare la sezione ottimale di un cavo, una volta definita la corrente che sarà destinato a trasportare attraverso l'analisi dei carichi applicati, bisogna considerare molteplici aspetti in quanto i conduttori devono essere scelti in modo da garantire sia una portata superiore alla corrente richiesta dagli utilizzatori, sia delle cadute di tensione che non superino determinati valori massimi imposti. Poiché la portata del cavo non dipende soltanto dalla sezione ma anche da diverse condizioni al contorno quali tipo di posa, temperatura ambiente, tipo di isolante, cavi unipolari o multipolari, presenza di cavi raggruppati, si comprende come un loro corretto dimensionamento richieda notevoli tempi di progettazione considerando il numero elevato di cavi presenti in impianti anche di dimensioni non elevate. TISYSTEM inizialmente determina, mediante l'utilizzo di appositi algoritmi di calcolo vettoriale, la corrente circolante in ogni linea dell'impianto e poi individua, attraverso una serie di informazioni richieste all'operatore (temperatura ambiente, caduta di tensione massima, tipo di posa, ecc.), la sezione ottimale dei conduttori. Per fare ciò sono state memorizzate nel programma apposite tabelle estratte dalla norma CEI-UNEL 35024/1 e Al termine dell'elaborazione TISYSTEM propone la minima sezione in grado di trasportare le correnti d'impiego e di mantenere la caduta di tensione al di sotto del valore massimo impostato. L'utente ha anche la possibilità di imporre direttamente le sezioni da utilizzare e far svolgere al programma la verifica dei valori inseriti. Per gli impianti di grande potenza è possibile scegliere l'utilizzo di blindosbarre: in tal caso l'utente crea un archivio generale di blindosbarre dalle differenti caratteristiche e seleziona quindi quale impiegare per il tratto di linea in esame. Calcolo delle correnti di corto circuito L'analisi dei possibili guasti che possono verificarsi nell'impianto elettrico ed il conseguente calcolo delle correnti di corto circuito costituisce uno dei punti fondamentali nel progetto soprattutto per quanto riguarda la scelta degli apparecchi di protezione. Si verifica spesso che il progettista ricorra all'utilizzo di tabelle o formule approssimate o peggio, estrapoli i valori dai dati già ricavati per altri circuiti di caratteristiche analoghe a quello in esame. Questi metodi portano a dei valori approssimati che possono originare delle scelte per la realizzazione dell'impianto sia in difetto con conseguente pericolo per la sicurezza delle persone e cose, sia in eccesso con inevitabile aumento dei costi nella scelta degli apparecchi. Attraverso TISYSTEM, grazie alle potenzialità di calcolo offerte dall'impiego di un computer, vengono utilizzate formule elettrotecniche esatte che permettono di ricavare in modo preciso ed in tempi pressoché istantanei le correnti di corto circuito. Il programma permette di ottenere i valori di corrente di corto circuito massima e minima all'inizio e alla fine di ogni tratto di linea attraverso lo studio dei seguenti tipi di guasto: 3

4 - trifase - fase-neutro - fase-fase - fase-pe (solo per sistemi TN) Il programma calcola il loro valore per i vari tipi di guasto in corrispondenza dell'inizio e della fine di ogni tratto di linea: utilizza poi i valori ricavati per la scelta degli interruttori di protezione con adeguato potere di interruzione, per verificare la protezione dai contatti indiretti, per dimensionare i conduttori di neutro e protezione. Scelta degli apparecchi Fondamentale importanza assume l'aspetto relativo alla protezione delle condutture in caso di una condizione anomala di funzionamento che determini la circolazione di correnti superiori alla portata dei conduttori (correnti di sovraccarico e correnti di corto circuito). Il programma TISYSTEM, con l'ausilio dei parametri dello schema in esame (portata delle condutture e valori delle correnti di corto circuito) ed attraverso degli appositi archivi in cui sono memorizzati i dati caratteristici degli interruttori Bticino, determina automaticamente gli apparecchi più idonei a garantire la protezione delle linee. L'operatore, al fine di effettuare la scelta più rispondente alle proprie esigenze, può escludere, a livello d singolo quadro, determinati interruttori dalla lista degli apparecchi tra cui il software effettua la ricerca oppure selezionare direttamente il dispositivo di comando e protezione e verificare attraverso il programma la scelta effettuata. Durante l'impostazione dei dati di progetto è inoltre possibile richiedere l'utilizzo della protezione di back-up per la scelta degli apparecchi di protezione posti sulle linee terminali dei quadri: in tal modo, attraverso un opportuno coordinamento degli apparecchi, vengono selezionati interruttori con potere di interruzione inferiore alle correnti di corto circuito nel punto di installazione con conseguente riduzione dei costi. Collegata alla scelta delle apparecchiature è l'analisi del grado di selettività esistente tra i vari interruttori prescelti; il programma TISYSTEM ne consente una verifica immediata visualizzando il valore di corrente di corto circuito massima che assicura la selettività per ogni coppia di interruttori in serie; il progettista, confrontando tale valore con quelli delle correnti di corto circuito, può determinare quale grado di selettività ottenuto. Altro aspetto di fondamentale importanza da osservare nella scelta delle apparecchiature è la protezione dai contatti indiretti: il progettista deve impiegare apparecchiature che, in caso di guasto fase e massa, intervengano in modo sufficientemente tempestivo nel rispetto di quanto stabilito dalla normativa vigente. TISYSTEM, attraverso una corretta scelta degli interruttori ed un opportuno dimensionamento del conduttore di protezione, assicura per ogni tratto di linea nei sistemi TN dell'impianto la protezione dai contatti indiretti (per i sistemi TT il programma impone l'utilizzo del differenziale ma è compito del progettista verificare che la resistenza di terra abbia un valore tale da garantire l'intervento del dispositivo). Tisystem permette anche di inserire negli schemi dei quadri, apparecchiature diverse dagli interruttori (contattori, fusibili, relè, ecc). In tal caso, l'utente può creare dei propri archivi personalizzati di questi componenti, in modo che essi vengano poi individuati automaticamente dal programma, analogamente a quanto viene fatto per gli interruttori. Visualizzazione curve d'intervento e delle curve I 2 t degli interruttori Il programma visualizza anche le curve d'intervento I-t degli interruttori permettendo la sovrapposizione delle stesse su un unico diagramma per relativi studi di coordinamento. 4

5 Nel caso di interruttori scatolati, il programma consente di effettuare direttamente in tale maschera, la regolazione degli interventi termici e magnetici, al fine di visualizzare immediatamente la variazione della relativa curva d'intervento. Analogamente visualizza anche le curve I 2 t degli interruttori e le curve K 2 S 2 dei cavi al fine di verificarne la protezione in caso di corto circuito. Dimensionamento del conduttore di protezione e del neutro Il dimensionamento dei conduttori di protezione e di neutro può comportare, in determinate condizioni e dopo opportune verifiche, l'impiego di sezioni di valore inferiore a quella dei rispettivi conduttori di fase. Per la loro scelta vengono molto spesso utilizzate delle tabelle che in funzione della sezione dei conduttori di fase danno direttamente il valore della sezione senza prendere in considerazione quelle che sono le reali caratteristiche del circuito elettrico in cui essi vanno inseriti; attraverso il loro uso si ottengono però dei valori che sono molto spesso sovradimensionati, e a volte anche sottodimensionati, rispetto ai valori ottimali. TISYSTEM impiega degli appositi algoritmi che, analizzando le caratteristiche della linea in esame e il tipo di apparecchio posto a sua protezione, calcolano le sezioni minime del neutro e del PE che garantiscono tutte le condizioni di protezione e sicurezza previste dalla normativa. Al progettista è comunque offerta la possibilità di richiedere una sezione che non sia mai inferiore a metà di quella dei conduttori di fase, verificando in ogni caso la correttezza di tale valore e nel caso provvedendo ad un opportuno aumento dello stesso. Circuiti ausiliari e gruppi di misura E' possibile completare i quadri inserendo i circuiti ausiliari e i gruppi di misura di cui l'operatore può disegnare lo schema elettrico e associare la varia componentistica (anch'essa memorizzabile in un archivio modificabile dall'utente). I circuiti ausiliari e gruppi di misura di uso comune possono essere salvati in un archivio generale in modo che l'utente possa importarli con un'unica operazione all'interno di nuovi quadri. Dimensionamento dei quadri elettrici TISYSTEM consente anche di effettuare il dimensionamento strutturale dei quadri presenti nell'impianto. Il software propone infatti per ciascun schema di quadro presente nel progetto, l'elenco delle carpenterie tra cui individuare la tipologia desiderata; da tale lista vengono automaticamente esclusi i modelli che non sono in grado di contenere per motivi dimensionali i componenti selezionati. Il programma provvede poi a guidare l'utente nel selezionare i corretti pannelli per le apparecchiature presenti nello schema e per il successivo inserimento delle stesse, realizzando il quadro attraverso il disegno della vista frontale dello stesso. Elenco materiale e preventivazione quadri Il programma permette di originare un file contenente l'elenco articoli che costituiscono ciascun quadro. Tale file può essere importato dal listino elettronico Bticino TIPRE / TIVAL al fine di effettuarne la valorizzazione eventualmente comprensiva anche del costo di manodopera (calcolato in funzione dei tempi di installazione associati a ciascun componente). 5

6 INDICE Parte prima: PROGETTARE CON TISYSTEM CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI ELETTRICI Generalita' Sistemi TT, TN Impianti senza e con propria cabina di trasformazione DIMENSIONAMENTO DELLE CONDUTTURE Generalita' Calcolo della corrente d'impiego, potenze e cosφ Determinazione della sezione dei conduttori di fase Scelta del conduttore in funzione della sua portata Scelta del conduttore in funzione della caduta di tensione Dimensionamento meccanico della conduttura Conduttori in parallelo Blindosbarre CALCOLO DELLE CORRENTI DI CORTO CIRCUITO Generalita' Sistema TN Impedenza della rete di media tensione Impedenza del trasformatore Impedenza della linea Correnti di corto circuito Sistema TT Impedenza della rete a monte del punto di consegna Correnti di corto circuito Valori di corrente di corto circuito calcolati dal software Contributo dei motori alla corrente di corto circuito SCELTA DEGLI APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE Generalita' Protezione dai sovraccarichi Scelta del dispositivo di protezione Criteri adottati per la scelta della In degli interruttori Protezione dai corto circuiti Scelta del dispositivo di protezione Protezione da corto circuito per cavi in parallelo Protezione dai contatti indiretti Sistema TT Sistema TN SELETTIVITA' E PROTEZIONE DI BACK-UP 46 6

7 5.1 Selettivita' Selettivita' in caso di sovraccarico Selettivita' in caso di corto circuito Tabelle di selettivita' Protezione di back-up DIMENSIONAMENTO DEL CONDUTTORE DI PROTEZIONE E DI NEUTRO Generalita' Conduttore di protezione Determinazione della sezione Algoritmo per il calcolo del conduttore di P.E. (sistema TN) Cavi in parallelo per il conduttore di protezione Conduttore di neutro Determinazione della sezione Algoritmo per il calcolo del neutro Cavi in parallelo per il conduttore di neutro 66 Parte seconda: USARE TISYSTEM REQUISITI HARDWARE E SOFTWARE INSTALLAZIONE REGISTRAZIONE AMBIENTE DI LAVORO Gestione documenti Creazione nuovo progetto Apertura documento esistente Salvataggio documento Chiusura di un documento Configurazione Toolbar DATI GENERALI PROGETTO (Documento Tisystem) Dati impianto Sistema TN Sistema TT SCHEMA A BLOCCHI DELL'IMPIANTO DISEGNO DELLO SCHEMA UNIFILARE DEL QUADRO Configurazione legenda Configurazione quadro Dati generali quadro Scelta apparecchi modulari Btdin Scelta Interruttori magnetotermici Megatiker 85 7

8 Scelta Interruttori elettronici Megatiker Inserimento apparecchiature Collegamento ad altro quadro INSERIMENTO DATI DELLE LINEE Carico e fasi della linea Cablaggio interno al quadro Conduttura Simbolo grafico ed esecuzione apparecchio Gestione interruttori Interruttori magnetotermici Interruttori magnetotermici differenziali Interruttori di manovra e differenziali puri Comando Ricerca Articolo Inserimento Accessori Gestione apparecchi diversi da interruttori Contattori, rele' a passo, fusibili, ecc Voltmetri, Amperometri, ecc Collegamento in morsettiera Gruppo elettrogeno Spostamento apparecchi nello schema Comandi di Copia, Taglia, Incolla, Elimina applicati allo schema Copia Taglia Incolla Elimina DIMENSIONAMENTO DELL'IMPIANTO Calcolo completo dell'impianto Determinazione dell' articolo di app.diversi da interruttori Sezione linee in uscita da apparecchi non magnetotermici Solo verifica impianto Risultati ottenuti Colore simboli Cancellazione Articoli e Sezioni VISUALIZZAZIONE CURVE D'INTERVENTO CIRCUITI AUSILIARI E GRUPPI DI MISURA Circuiti ausiliari Dati circuito ausiliario Area di disegno Inserimento apparecchi Tracciamento linee 129 8

9 Spostamento parti di schema Legenda simboli Apertura e Salvataggio di circuiti ausiliari Gruppi di misura DISEGNO ELEMENTI GRAFICI AGGIUNTIVI DATI GENERALI PROGETTO (Documento Tidqe) Dati impianto Schema impianto Abilitazione serie Scelta apparecchi modulari Btdin Scelta Interruttori magnetotermici Megatiker Scelta Interruttori elettronici Megatiker Filtri Realizzazione dello schema ad albero Comandi di Copia ed Elimina Configura simbolo Inserisci / Modifica apparecchio Schema ad albero / Carpenteria DIMENSIONAMENTO DELLA CARPENTERIA Scelta del quadro Quadri affiancati Inserimento pannelli e apparecchi Aggiunta/Spostamento/Cancellazione pannelli Spostamento/Individuazione/Cancellazione apparecchi Pannelli per morsettiere Numero moduli DIN Barre Bticino Cambiamenti allo schema successivi al disegno della carp Comandi di Copia, Taglia, Incolla, Elimina applicati alla carp Copia Taglia Incolla Calcolo sovratemperatura COMANDI DI STAMPA Stampa Stampa da Schema a blocchi dell'impianto Stampa da Schema elettrico Stampa da Circuito ausiliario Stampa da Gruppo di misura Stampa da Carpenteria 170 9

10 Stampa da Curve di intervento Anteprima di stampa Zoom di anteprima Zoom di stampa Visualizza le pagine in Margini di stampa Configurazione stampa tabellare Esportazione stampa tabellare Esportazione disegni in formato DXF PERSONALIZZAZIONE PREVENTIVAZIONE QUADRI

11 Parte Prima PROGETTARE CON TISYSTEM CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI ELETTRICI Generalità Un impianto elettrico è il complesso di componenti elettrici, anche a tensione nominali diverse, destinato alla produzione, distribuzione e utilizzazione dell'energia elettrica. Il programma TISYSTEM si occupa della progettazione degli impianti elettrici utilizzatori così come definiti dalla norma 11-1 (Impianti di produzione, trasporto e distribuzione di energia elettrica Norme generali): "Impianto costituito dai circuiti di alimentazione degli apparecchi utilizzatori e delle prese a spina, comprese le relative apparecchiature di manovra, sezionamento, protezione, ecc. che non facciano parte d'impianti di produzione, trasmissione, e distribuzione. Si considera come origine dell'impianto utilizzatore il punto di consegna dell'energia elettrica all'impianto stesso, in genere da una rete di distribuzione pubblica". Con il termine sistema elettrico si intende invece una "parte di un impianto elettrico costituito dal complesso dei componenti elettrici aventi una determinata tensione nominale" (64-8 art. 21.7). A seconda del loro modo di collegamento a terra i sistemi vengono classificati in TT, TN, IT. Dei primi due (trattati da Tisystem) si richiamano le definizioni nel paragrafo successivo Sistemi TT, TN Sistema TT "Il sistema TT ha un punto collegato direttamente a terra e le masse dell'impianto collegate ad un impianto di terra elettricamente indipendente da quello del collegamento a terra del sistema d'alimentazione" (64-8 art ). In caso di guasto a terra, il circuito percorso dalla corrente si richiude attraverso il terreno, in quanto il neutro del sistema e la massa interessata dal guasto fanno a capo a dispersori separati; il valore della corrente di guasto può essere molto contenuto. 11

12 Sistema TN "Il sistema TN ha un punto collegato direttamente a terra mentre le masse dell'impianto sono collegate a quel punto per mezzo del conduttore di protezione" (64-8, art ). In caso di guasto a terra del sistema, il circuito percorso dalla corrente di guasto risulta costituito dai soli conduttori metallici, senza interessare l'impianto di dispersione a terra; il valore della corrente di guasto può essere molto elevato. Si distinguono i seguenti tipi di sistemi TN, secondo la disposizione dei conduttori di neutro: TN-S: TN-C-S: TN-C: il conduttore di neutro e di protezione sono separati; le funzioni di neutro e di protezione sono combinate in un solo conduttore in una parte del sistema; le funzioni di neutro e di protezione sono combinate in un solo conduttore (PEN). Il programma TISYSTEM prevede solo il caso di sistema TN-S, considera cioè conduttori di protezione e neutro sempre distinti tra loro e provvede separatamente al loro dimensionamento. Tale scelta è stata effettuata a causa dei limiti legati all'utilizzo del sistema TN-C: - sul conduttore PEN non devono essere inseriti dispositivi di sezionamento e di comando nè organi di protezione che lo possono interrompere - il conduttore PEN deve essere isolato per la tensione nominale del sistema verso terra - è vietato l'uso del sistema TN-C negli ambienti a maggior rischio in caso d'incendio e negli ambienti con pericolo d'esplosione - nel caso in cui si verifichi un'interruzione del PEN, la tensione verso terra può assumere valori anche superiori alla tensione nominale del sistema senza che si abbia alcun intervento delle protezioni - l'utilizzo del PEN è possibile solo per impianti fissi 12

13 1.3 - Impianti senza e con propria cabina di trasformazione L'elemento discriminante per scegliere tra sistema TT e sistema TN è costituito dalla presenza o meno della propria cabina di trasformazione. Questo concetto si traduce nella disponibilità o non disponibilità del morsetto di centro stella; in altre parole, si può realizzare il sistema TN in tutti i casi in cui sia possibile collegare al proprio impianto di terra locale il centro stella all'origine del sistema. Per contro quando il centro stella del sistema è collegato a terra in una cabina di trasformazione non controllabile dall'utente, il sistema non può essere che TT; è questo il caso di alimentazione direttamente collegata alla rete pubblica di I categoria. Per tale motivo il programma nel caso di scelta di sistema TT considera l'impianto da progettare direttamente alimentato in bassa tensione, mentre nel caso di sistema TN prevede sempre la presenza di una cabina all'interno dei quali sono contenuti uno o più trasformatori MT/BT. Nel caso di sistema TT il software, per caratterizzare la rete a monte del punto di consegna, richiede i valori delle correnti di corto circuito trifase e fase-neutro nel punto di origine del sistema [par ]. Nel caso di sistema TN i dati da inserire sono invece il valore di potenza di corto circuito nel punto di consegna dell'energia e i dati caratteristici del trasformatore M.T./B.T. (potenza, tensione di corto circuito, perdite nel rame) [par ]. L'operatore può scegliere tra le seguenti configurazioni per la cabina di trasformazione: 13

14 1 TRASFORMATORE 2 TRASFORMATORI IN PARALLELO 3 TRASFORMATORI IN PARALLELO 2 TRASFORMATORI 3 TRASFORMATORI 2 TRASFORMATORI 1 DI RISERVA 2 IN PARALLELO 1 CONGIUNTORE 1 DI RISERVA 2 PARTENZE 3 TRASFORMATORI 3 TRASFORMATORI 1 DI RISERVA 2 CONGIUNTORI 2 CONGIUNTORI 2 PARTENZE 2 PARTENZE 14

15 2 - DIMENSIONAMENTO DELLE CONDUTTURE Generalità Una delle fasi più importanti nella progettazione di un impianto elettrico è la determinazione delle sezioni delle condutture. Se non si effettua un'attenta analisi della condizione in esame si può incorrere in errori di diverso tipo: - sottodimensionamento della conduttura (sezione troppo piccola): come conseguenza comporta una riduzione di vita del cavo oppure una caduta di tensione di valore troppo elevato - sovradimensionamento della conduttura (sezione troppo grande): in questo caso il cavo prescelto, pur permettendo un corretto funzionamento dell'impianto, richiede degli aggravi economici del tutto ingiustificati, abbinati a dei maggiori ingombri e a maggiori difficoltà di posa. I valori di corrente di corto circuito nelle linee derivate risultano inoltre più elevati con conseguente necessità di utilizzare apparecchi di protezione con poteri di interruzione superiori e perciò più costosi. Al fine di scegliere la sezione ottimale del conduttore in ciascun tratto di linea è necessario considerare molti fattori, i principali dei quali sono: la corrente d'impiego, la massima caduta di tensione ammissibile, il tipo di posa, il tipo di isolante, la temperatura ambiente. Attraverso l'inserimento di tali dati TISYSTEM provvede automaticamente a determinare, la sezione ottimale dei conduttori: l'operatore può comunque impostare direttamente un determinato valore di sezione e richiedere al programma un semplice controllo al fine di verificare se la portata e la caduta di tensione conseguenti sono compatibili con la linea in esame. I valori di portata dei cavi sono ricavati dalle norme CEI-UNEL 35024/1 Cavi elettrici isolati con materiale elastomerico o termoplastico per tensioni nominali non superiori a 1000 V in corrente alternata e a 1500 V in corrente continua. Portate di corrente in regime permanente per posa in aria. Per i tipi di posa non previsti da tale norma e per alcuni valori di grande sezione non riportati, è stata impiegata la norma IEC "Wiring systems. Current-carrying capacities" Calcolo della corrente d'impiego, potenze e cosφ Negli impianti utilizzatori destinati sia ad impieghi civili che industriali le correnti assorbite sono molto variabili sia per le diverse condizioni di carico dei singoli utilizzatori che per la non simultaneità di funzionamento degli stessi. Per un corretto dimensionamento delle condutture e per la scelta e il coordinamento degli apparecchi di manovra e protezione bisogna valutare la "corrente d'impiego" (I b ) cioè la quantità di corrente che la linea è destinata a trasportare per soddisfare le necessità dei carichi. La norma 64-8 art.25.4 definisce la corrente I b nel modo seguente: «valore della corrente da prendere in considerazione per la determinazione delle caratteristiche degli elementi di un circuito. In regime permanente la corrente d'impiego corrisponde alla più grande potenza trasportata dal circuito in servizio ordinario tenendo conto dei fattori di utilizzazione e di contemporaneità. In regime variabile si considera la corrente termicamente equivalente, che in regime continuo porterebbe gli elementi del circuito alla stessa temperatura». 15

16 Il regime "permanente" si ha quando gli elementi che costituiscono il circuito hanno raggiunto una condizione di equilibrio termico. Il concetto di "permanente" fa dunque riferimento alla costante di tempo termica dei singoli elementi conduttori. Tale costante, per i cavi, può variare indicativamente dal minuto alle ore, passando dalle sezioni minori alle maggiori. Se invece la corrente di carico è variabile periodicamente si considera la corrente termica equivalente: I b T 1 2 = T dove l'intervallo di integrazione T deve essere stabilito in base ad una attenta analisi della corrente negli intervalli di tempo ove essa presenta i valori più alti. L'elemento discriminante per queste valutazioni è la minore costante di tempo termica fra quelle degli elementi costituenti il circuito; in generale si tratta delle condutture, ma non può escludersi che altri elementi risultino più critici a questo riguardo. Si noti che la norma fa infatti riferimento genericamente agli "elementi" del circuito. Al fine di determinare la corrente d'impiego TISYSTEM opera nel modo seguente: a) linee terminali Il programma richiede i dati caratteristici dei carichi collegati al tratto di linea di cui si vuole dimensionare il conduttore [par. 14.1]: - potenza del carico in KW o KVAR [P c ] oppure corrente d impiego in A [I b ] O idt - fattore di potenza del carico [cos(φ)] - coefficiente di utilizzazione [K u ] Se si inserisce il valore di potenza del carico, Tisystem calcola automaticamente la corrente d impiego circolante e viceversa. La formula che lega le due grandezze elettriche è la seguente: per P c in KW per P c in KVAR I b = K P 1000 cv cosφ u c n I b = Ku Pc 1000 cv n c = 3 c = 1 per sistemi trifase per sistemi monofase b) linee di distribuzione In questo caso il valore di corrente circolante in ciascuna fase e nel neutro viene calcolata come somma vettoriale delle correnti circolanti nelle linee derivate da quella in esame (si procede cioè da valle verso monte); l'operatore può introdurre un determinato coefficiente di contemporaneità ed in base ad esso la corrente circolante in ciascuna fase (e nell'eventuale neutro) di ogni linea viene ricavata mediante la formula: 16

17 [ fase linee derivate ] I fase = K I (sommatoria vettoriale) c Il programma ricalcola inoltre il cosφ associato a ciascuna fase evidenziando con la lettera R o la lettera A, se la corrente è rispettivamente in ritardo o in anticipo rispetto alla tensione (carico induttivo o capacitivo). Il programma calcola anche la somma delle potenze associate alle linee derivate: per ottenere il valore della potenza effettivamente transitante è necessario moltiplicare il valore visualizzato per il K c impostato dall utente e per il K u equivalente (che tiene conto di tutti i K c e K u delle linee derivate) automaticamente calcolato dal programma mediante la seguente formula: K u = [ K K P / cos ( Φ c u )] [ P /cos( Φ) ] dove le sommatorie sono ancora estese a tutte le linee derivate. Il programma determina inoltre: a) il valore di un cosφ equivalente della linea, uguale al rapporto tra la potenza attiva e la potenza apparente transitante b) il valore della corrente d impiego I b determinato come valore più elevato tra il valore delle correnti circolanti nelle tre fasi Determinazione della sezione dei conduttori di fase Una volta ricavata la corrente d impiego I b si deve determinare qual è la sezione ottimale del cavo per portare tale corrente. Questa grandezza dipende da tre differenti fenomeni fisici presenti nella conduttura: - termico (il cavo si scalda per effetto joule a causa della corrente che lo attraversa) - elettrico (si ha una caduta di tensione nel cavo dipendente dall'impedenza dello stesso e dalla corrente I b ) - meccanico (i cavi sono sottoposti durante l'installazione a sforzi di trazione e flessione) Tali fenomeni vengono analizzati nei tre paragrafi successivi Scelta del conduttore in funzione della sua portata La relazione fondamentale da soddisfare per la scelta corretta della conduttura dal punto di vista termico è: I b I z 17

18 dove I z è la portata della conduttura definita come: «massimo valore della corrente che può fluire in una conduttura, in regime permanente ed in determinate condizioni, senza che la temperatura superi un valore specificato» [64-8 art. 25.5]. Tale relazione nasce dalla considerazione che ciascun tipo di isolante è caratterizzato da una temperatura massima di esercizio che non può essere superata durante le normali condizioni di funzionamento, previo una riduzione di vita del materiale. Diventa perciò di fondamentale importanza lo studio del legame esistente tra la corrente che si stabilisce in un conduttore e la temperatura di regime che esso assume quando il sistema è in equilibrio termico. Quando il cavo viene attraversato da una generica ma costante corrente dopo una fase transitoria in cui parte del calore prodotto per effetto Joule nella resistenza del conduttore viene immagazzinato nel cavo con conseguente riscaldamento dello stesso, si ha una successiva condizione di regime termico nella quale la temperatura si mantiene costante e il calore prodotto viene interamente dissipato nell'ambiente. Da tali considerazioni discende che, nota la temperatura massima ammissibile in regime permanente per un certo tipo di isolante, si determina quale sia la potenza massima dissipabile (RI²) e da questa il valore di corrente sopportabile dal cavo, cioè la sua portata. Lo studio del fenomeno fisico ora esposto risulta in realtà molto complesso poiché il valore della portata risulta influenzato, pur a parità di sezione e isolante, da altri fattori quali: a) tipo di posa del cavo (da cui dipende il valore di conduttanza termica che regola lo scambio di calore con l'ambiente); ad esempio un cavo in tubo o canale posato in cunicolo chiuso riesce a smaltire meno calore di quanto non faccia lo stesso cavo se posato in tubo o canale interrato e perciò a parità di corrente si porterà a temperatura maggiore (o, per meglio dire, a parità di temperatura massima deve essere attraversato da una corrente minore). b) temperatura ambiente (tanto più è elevata, tanto minore è la corrente che può attraversare il conduttore; al limite, se un cavo con isolante in PVC si trovasse in un ambiente a temperatura di 70 C lo stesso conduttore non potrebbe essere utilizzato, previo un rapido deterioramento, in quanto qualunque corrente lo attraversasse lo porterebbe in una condizione di sovratemperatura) c) presenza di altri conduttori nelle vicinanze (se altri cavi percorsi da corrente sono posti vicini al conduttore in esame la temperatura di quest'ultimo ne è ovviamente influenzata) Data la complessità del calcolo la normativa ha fornito delle apposite tabelle che tengono conto di tutti questi fattori e che permettono di ricavare la portata di un cavo noto il tipo di isolante e le sue "condizioni al contorno" (tipo di posa, temperatura ambiente, ecc.). Il programma ha memorizzato nei propri archivi delle tabelle estratte dalla norma CEI- UNEL 35024/1 che utilizza per determinare la portata dei conduttori in rame nelle varie condizioni di posa. Le principali informazioni che il programma richiede per effettuare la scelta della sezione del conduttore da utilizzare in ciascun tratto di linea sono [par. 14.3]: - tipo di cavo: unipolare senza guaina unipolare con guaina multipolare - gruppo di posa 18

19 - posa - tipo di isolante: polivinilcloruro (PVC) gomma etilenpropilenica (EPR) - temperatura ambiente - numero di circuiti raggruppati Attraverso il numero dei circuiti raggruppati il programma determina automaticamente qual è il coefficiente riduttivo da utilizzare per tenere conto della presenza ravvicinata di più cavi: tali fattori sono applicabili a gruppi di cavi uguali, percorsi dalle stesse correnti. Tale coefficiente riduttivo viene automaticamente applicato da TISYSTEM quando si hanno più conduttori in parallelo: ad esempio un cavo unipolare senza guaina in PVC posato in tubo all interno di canale sospeso di 25 mm² ad una temperatura ambiente di 30 C ha un portata di 89 A mentre due conduttori in parallelo dello stesso tipo hanno una portata complessiva di 142 A (coefficiente riduttivo = 0.8) Scelta del conduttore in funzione della caduta di tensione Per un corretto impiego degli utilizzatori è necessario che essi funzionino al valore di tensione nominale per la quale sono previsti. Per tale motivo si deve verificare che la caduta di tensione lungo la linea non assuma valori troppo elevati. I limiti di variazione della tensione sono diversi a seconda del tipo di impianto realizzato e della natura del carico alimentato. Si ricorda inoltre che per macchine sottoposte ad avviamenti che danno luogo ad elevate correnti di spunto, la caduta di tensione sull'utilizzatore deve essere mantenuta entro valori compatibili con il buon funzionamento della macchina anche durante l'avviamento. Il programma richiede all'operatore quale è la massima caduta di tensione ammissibile [par. 14.3] per ciascun tratto di linea e sceglie la sezione del cavo in modo tale da mantenerla sempre al di sotto del valore prefissato. Al contrario il programma non impone alcuna condizione sul valore di caduta di tensione massima totale dell'impianto (sommatoria della caduta di tensione nei singoli tratti di linea); ciò comporta che questa grandezza può assumere valori intollerabili. È l'operatore che deve accertarsi che essa si mantenga nei limiti ammissibili: questa verifica è facilmente effettuabile in quanto il programma permette la visualizzazione non solo della caduta di tensione effettiva in ogni tratto di linea, ma anche di quella totale, sommatoria di tutte le cadute di tensione nei tratti di linea a monte di quello considerato [par. 15.3]. In tal modo il progettista, diminuendo i valori massimi ammissibili nei singoli tratti di linea, riporta la caduta di tensione totale al di sotto del limite desiderato. Il valore di caduta di tensione in un generico conduttore viene ricavato attraverso la formula: l2( r2 x2) [ ( ) ( c )] 2 V V = I l r cos Φc + x sen Φ + + f b f (1) 19

20 V f = caduta di tensione del conduttore [V] V f = tensione di fase [V] I b = corrente di impiego della linea [A] l = lunghezza della conduttura [m] r = resistenza specifica del conduttore [Ω/m] x = reattanza specifica del conduttore [Ω/m] Φ c = angolo di sfasamento tra la I b e la tensione di fase All'interno del programma sono stati memorizzati i valori di resistenza specifica e reattanza specifica per cavi in rame sia unipolari che multipolari: i valori di resistenza sono stati riportati rispettivamente a 70 C e 90 C a seconda che si utilizzino cavi in PVC o EPR. Nei sistemi trifase equilibrati il valore della caduta di tensione, rispetto al valore della tensione concatenata, si ottiene moltiplicando la (1) per 3: V tr = 3 V f Nei sistemi monofase la caduta di tensione totale si ottiene sommando la caduta di tensione nella fase con quella nel neutro. Poiché per questi sistemi i conduttori di fase e di neutro devono avere la stessa sezione è sufficiente moltiplicare per 2 il valore fornito dalla (1): V = 2 V mon La formula (1) fornisce il valore della caduta di tensione in Volt; il valore percentuale si ricava da: f V tr % = Vtr V f V mon % = Vmon 100 V f Per effettuare il dimensionamento delle condutture il programma inizialmente calcola la sezione del conduttore in modo da avere una portata superiore alla corrente d'impiego. Ricava poi la caduta di tensione attraverso l'impedenza del conduttore così determinato e, se il valore trovato supera il valore impostato, continua ad aumentare la sezione del cavo in modo da ridurre i valori di resistenza e reattanza unitarie e perciò diminuire la caduta di tensione fino a rientrare nel limite prefissato Dimensionamento meccanico della conduttura Il dimensionamento della sezione dei conduttori ai solo fini termici ed elettrici comporterebbe, per correnti d'impiego dell'ordine di pochi ampere, l'adozione di sezioni troppo esigue dal punto di vista della resistenza meccanica (durante l'installazione i cavi sono sottoposti a sforzi di flessione e trazione anche pesanti), della affidabilità antinfortunistica, del serraggio agli usuali morsetti. Per impianti di uso generale la sezione minima da usare è pari a 1.5 mm², è però necessario consultare le rispettive norme per i vari casi particolari. Il programma impone una sezione minima dei conduttori pari a 1.5 mm²; l'utente può però specificare, per ogni singolo quadro dell'impianto, qual è la sezione più piccola che deve essere impiegata per i conduttori in uscita dallo stesso [par ]. 20

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