Tecniche di valutazione e riduzione del rischio elettrico dovuto ad Arc Flash in A.C.

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1 Tenihe di valutazione e riduzione del rishio elettrio dovuto ad Ar Flash in A.C. ott. Ing. Pietro Antonio Sarpino, Ph. Presidente AEIT sezione Tosana e Umbria Suola di Ingegneria Università di Firenze Abstrat L artiolo espone i metodi di valutazione del rishio elettrio dovuto ai fenomeni di arhi elettrii on emissione di radiazioni elettromagnetihe meglio noti ome Ar Flash. Tale valutazione rientra di diritto nella valutazione dei rishi prevista dall art. 80 del.lgs n. 81 del 9 aprile 2008 (Testo Unio sulla Salute e Siurezza sul Lavoro). Purtroppo nel nostro paese, ed in generale in Europa, non esiste nessuna normativa tenia he i onsente di effettuare tale valutazione se non riorrere a standard statunitensi. L artiolo oltre a proporre i metodi noti e ampliamente trattati nella letteratura sientifia oltre oeano per la valutazione del rishio da Ar Flash in orrente alternata (A.C.), espone anhe una serie di tenihe di riduzione del rishio in modo da rendere siuro il personale addetto ai lavori elettrii, adattando gli stessi standard on le distanze imposte dalla Norma CEI in materia di lavori elettrii. I. INTROUZIONE L art. 80 del.l. 81/2008 impone al datore di lavoro di prendere in onsiderazione tutti rishi elettrii possibili ai quali i lavoratori possono essere soggetti per l uso di mahinari, apparehiature e impianti elettrii, in partiolar modo tutti i rishi derivanti da ontatti elettrii diretti e indiretti, da arhi elettrii e radiazioni, e.. L ar flash è un aro elettrio on emissione di radiazioni elettromagnetihe è pertanto deve essere valutato. L ar Flash, si verifia prinipalmente per aro metallio (ortoiruito) oppure per aro elettrio quando il ampo elettrio supera la rigidità dielettria del gas interposto tra parti attive trasformandolo in plasma e faendo si he il gas interposto da dielettrio diventi onduttore. alla teoria Termodinamia ogni orpo aldo emette energia radiante on lo stesso prinipio di emissione di un orpo nero e quindi la prinipale onseguenza del rilasio di tale energia è una potenza radiante globalmente emessa he varia on la nota Legge di Stefan-Boltzmann: Q P T i on 8 [W/K 4 m 2 ] 5,67 10 oeffiiente di Stefan-Boltzmann. i P 0,567 C ( T T ) i a e a 4 [W/m 2 ] C a rappresenta oeffiiente di assorbimento; T e e T a rappresentano rispettivamente le temperature della superfiie emittente ed assorbente in gradi Kelvin. Nonostante lo studio degli arhi sia ormai vehio di due seoli, la loro fisia non è ben ompresa; in partiolare non esiste una teoria ben soddisfaente he metta in relazione la orrente e la tensione durante il fenomeno di Ar Flash. Appare hiaro he la dinamia degli arhi è legata alla fisia del trasporto radiale dell energia in ondizioni in ui il plasma è magnetizzato e turbolento. In queste ondizioni viene emessa una energia speifia radiante elevatissima in un tempo estremamente breve he rappresenta il tempo di esposizione agli effetti dell aro e oinide on il tempo di apertura delle protezioni magnetihe. urante questa fase la temperatura può raggiungere valori pari a C (quattro volte la temperatura he si ha sulla superfiie solare), viene espulso materiale fuso e inandesente, il metallo di ui sono ostituite le parti attive in tensione passa ripetutamente dallo stato solido allo stato gassoso on emissione di gas tossii, si genera un onda sonora on un livello di rumore di oltre 160dB on onseguente onda di pressione elevatissima e per ultimo un grande flash on l emissione di radiazioni elettromagnetihe anhe ionizzanti. Se il lavoratore si dovesse trovare nel ampo di azione di un fenomeno di Ar Flash senza i dispositivi di protezione individuali adeguati, le onseguenze sarebbero di faile omprensione. Il rishio elettrio dovuto ad Ar Flash si verifia prinipalmente nelle lavorazioni elettrihe per le quali vige la Norma CEI e la Norma CEI EN Questa ultima in partiolare nell allegato B al punto B.6 (ed. gennaio 2014) impone la valutazione del rishio dovuta agli effetti dell aro elettrio. L uso di quadri elettrii resistenti all aro interno (Rapporto Tenio IEC e norma CEI EN 60439) non esula dalla valutazione del rishio da Ar Flash in quanto spesso è neessario effettuare verifihe e misure aprendo gli sportelli e rimuovendo le protezioni. In questa fase, anhe se per un tempo abbastanza limitato, gli operatori si trovano ompletamente esposti al periolo da Ar Flash. La domanda he i dobbiamo porre è la seguente: gli operatori elettrii on le qualifihe PES o PAV a he distanza dalla parte attiva devono trovarsi per ritenersi siuri in aso di Ar Flash e

2 he tipi di dispositivi di protezione individuali (PI) devono eventualmente utilizzare per proteggersi? (Fig. 1) Questa memoria propone le tenihe di valutazione dell energia radiante, delle distanze di siurezza e delle lassi di dispositivi di protezione individuali in aso di Ar Flash, nonhé le tenihe di riduzione del rishio. qualhe deina di Ampère e la variazione di tensione al variare della orrente è lentamente variabile on essa (tratto J-K della aratteristia). Questa zona della aratteristia è detta Aro Termio. Fig. 2:aratteristia della saria elettria nei gas Fig. 1: distanza di siurezza alla quale l energia radiata si ridue a 1,2 al/m2 II. METOI I VALUTAZIONE Nonostante la legislazione in materia e le norme tenihe prevedono la valutazione del rishio elettrio dovuta agli effetti dell aro elettrio, nessuna norma tenia italiana ed europea i fornise una metodologia per poter proedere alla valutazione del rishio da Ar Flash. E importante quindi definire le zone entro le quali si possono verifiare fenomeni di Ar Flash in modo da prendere tutte le preauzioni possibili per difenderi dagli effetti he ne derivano. all anno 1970 l OSHA (Oupational Safety and Health Administration), l ente U.S.A. he si oupa della siurezza e salute nei luoghi di lavoro, ha mostrato un notevole interesse alla valutazione del rishio elettrio da Ar Flash. A tale proposito sono stati elaborati due standards di alolo: NFPA-70E Standard for Eletrial Safety Requirements for Employee Workplaes, emesso dal NFPA (National Fire Protetion Assoiations) IEEE Std Guide for Performing Ar-Flash Hazard Calulations, emesso dall o dall IEEE Istitute of Eletrial and Eletronis Engeneers. Ambedue gli standard onsentono di alolare, on formule empirihe, l energia radiante inidente E in, he si sviluppa in presenza di Ar Flash. I due metodi di valutazione, anhe se diversi nelle loro formulazioni, portano spesso agli stessi risultati, omunque sia il metodo IEEE è da ritenersi più aurato. In Fig. 2 è rappresentata la aratteristia di saria elettria nei gas. urante il fenomeno di saria elettria dovuta all aro la zona della aratteristia V-I he i interessa durante un Ar Flash è quella in ui la orrente elettria supera i valori di Lo standard NFPA-70E definise 5 lassi di rishio a seonda dell energia radiante emessa in aso di ar flash ome mostrato nella tabella seguente: TABELLA I : TABELLA I VALUTAZIONE EL RISCHIO A ARC FLASH. Valore dell Energia radiante E alolata in Categoria di Rishio Categoria PI 0<E 1, ,2<E <E <E <E E>40 Non esistono protezioni da Ar Flash Lo sopo della valutazione è quello di alolare l energia radiante emessa da Ar flash e di onfrontarla on la TABELLA I. III. VALUTAZIONE EL RISCHIO ELETTRICO OVUTO A ARC FLSH SECONO LO STANAR NFPA 70E Questo standard si basa fondamentalmente sulla valutazione della distanza limite di periolo in aso di Ar Flash. Se la lavorazione eseguita da personale elettrio (PAV- PES) on o senza idoneità per l eseuzione di lavori elettrii sotto tensione, è all interno del volume definito dalla sfera di raggio (distanza di onfine) si alola l energia radiante emessa da Ar Flash e quindi si individua la ategoria di rishio e i PI più appropriati per eseguire la lavorazione all interno del volume sferio di raggio. Poihé l Ar Flash avviene prinipalmente in ondizioni di ortoiruito, si alola la orrente di ortoiruito trifase I nel punto della parte attiva oggetto della valutazione. [1][2] In prossimità dei morsetti BT di un trasformatore, la distanza di onfine può essere espressa in funzione della potenza apparente di ortoiruito trifase del trasformatore A in

3 MVA, per trasformatori on potenza nominale apparente fino a 630 kva, dalla relazione: (2,65 A t) 30, 48 [m] (1) Mettendo in evidenza la orrente potenza apparente nominale del trasformatore possiamo srivere: An (2, t) 30, 48 z % ed essendo z%=v% si ha: CC An (2, t) 30, 48 v % CC [m] (2) Se la potenza apparente nominale del trasformatore e maggiore di 630 KVA, l espressione (2) deve essere modifiata ome segue: An (2,651, t) 30,48 v % CC [m] (3) Il fattore 30,48 è il parametro di onversione da piedi a entimetri (1ft=30,48 m). Se la lavorazione avviene all interno del volume sferio di raggio, si deve eseguire il alolo dell energia radiante (E) dovuta ad Ar Flash, mediante l equazione empiria proposta dalla NFPA-70E he assume due espressioni distinte a seonda he la lavorazione avvenga in aria aperta oppure all interno di un ontenitore, quali Power Control Center, Motor Control Center, quadro BT, assette metallihe o plastihe e. Per tensioni nominali inferiori a 0,6kV l espressione dell energia radiante assume la forma: in aria: A 1, EA 5271 ( ) ta (0, 0016 I 0, 0076 I 0,8938) 2,54 (4) in un ontenitore: B 1, EB 1038, 7 ( ) ta (0, 0093 I 0,3453 I 5,9675) 2,54 (5) A e B sono le distanze degli elettrodi attivi in entimetri, rispettivamente in aria aperta e all interno di un armadio (bo) espresse in [m] avendo eseguito la onversione da pollii a entimetri ( 1 =2,54 m); t A è il tempo di durata dell Ar Flash in seondi; I è la orrente di ortoiruito trifase espressa in [ka]. Per tensioni nominali 0,6 kv<v n <15 kv l energia radiante inidente assume l espressione: 2 E 793 ( ) t Vn I (5) on espresso in [m], il tempo di esposizione in seondi, la tensione in [kv] e la orrente di ortoiruito in [ka]. Una volta alolata l Energia radiante (E) tramite le relazioni (4) oppure (5), viene individuata la ategoria di rishio e quindi la lasse di PI da assegnare ai lavoratori tramite onfronto on la TABELLA I. [2] IV. VALUTAZIONE EL RISCHIO ELETTRICO OVUTO A ARC FLSH SECONO LO STANAR IEEE 1584 Lo standard IEEE è un altro metodo di valutazione del rishio elettrio dovuto ad Ar Flash più aurato del preedente. Esso si basa sulla determinazione della orrente elettria d aro per sistemi elettrii di ategoria I in orrente alternata (tensione nominale inferiore a 1 kv). L espressione della orrente d aro, deriva da equazioni empirihe su fenomeni di Ar Flash reati e simulati in laboratorio, i ui dati sono stati sviluppati on l ausilio dell analisi statistia.[3] L espressione della orrente d aro I ar è data da: log 10 ( ar ) I 10 I [ka] (6) ar log I K 0, 662log I 0, 0966V 0, G 10 ar A 10 0, 5588V log I 0, G log I K A = -0,153 in aria aperta e K A = -0,097 al hiuso; I è la orrente di ortoiruito trifase in [ka] nel 2,54 punto di valutazione; V è la tensione nominale del sistema elettrio misurata in [kv]; G è la distanza misurata in [mm] tra gli elettrodi o tra i onduttori dove si sviluppa l aro. Una volta determinata la orrente d aro è possibile alolare l energia radiante inidente, normalizzata per un Ar Flash della durata di 0,2 s e alla distanza di lavoro di 610 mm, attraverso le relazioni: (7)

4 log10 En K1 K2 1,0811 Glog10 Iar 0,0011 G (8) log 10 ( n ) E 10 E (9) n K 1 = -0,792 in aria aperta e K 1 = -0,555 al hiuso; K 2 = 0 per sistemi elettrii on distribuzione di tipo TT e TN; K = -0,113 per sistemi elettrii on distribuzione IT.; 2 log10 I ar è la orrente di flash aro alolata on l espressione (7); G è la distanza misurata in [mm] tra gli elettrodi o tra i onduttori dove si sviluppa l aro. L energia radiante inidente dovuta ad Ar Flash della durata di t seondi, su un lavoratore he si trova a distanza, misurata in [mm], dal punto dove si verifia il fenomeno, è data da: t 610 E C f En 0,2 (10) oppure t 610 E 4,184 C f En 0,2 [J/m 2 ] (11) Le espressioni (10) o (11) si appliano per alolare l energia inidente in sistemi elettrii on tensioni nominali fino a 15 kv. Per tensioni superiori a 15 kv, l energia radiante inidente dovuta ad Ar Flash viene alolata attraverso il metodo di Lee: E V I 5 5, t [al/m2 ] (12) C : è un fattore di alolo he vale 1 per sistemi on f tensioni nominali inferiori a 1kV e 1,5 per sistemi on 1 kv<vn 15 kv; : è un fattore distanza, tabulato he dipende dalla tensione e dalla distanza tra gli elettrodi o tra i onduttori dove si sviluppa l aro. Nella Tabella II viene riportato il fattore di distanza, in relazione alla tensione del sistema di alimentazione, al gap (distanza fra onduttori attivi) e al tipo di struttura. TABELLA II: FATTORI I ISTANZA IN FUNZIONE ELLA TENSIONE. Tensione [kv] 0,208<V 1 1<V 5 5<V<15 Equipaggiamento Open Air Swithgear MCC ad panels Cable Open Air Swithgear Cable Open Air Swithgear Cable istanza tipia tra onduttori (gap) [mm] Fattore di distanza 1,473 1,641 0,973 0,973 Calolata l energia radiante inidente, on la relazione (10) o on la relazione (12) del metodo di Lee, è possibile alolare la distanza di onfine, distanza dove l energia radiante B inidente dovuta ad Ar Flash assume il valore di E=1,2 oltre il quale siamo soggetti a rishio Ar flash. La distanza di onfine può essere alolata on la relazione: [mm] (13) t 610 B C f En 0,2 E valida per sistemi elettrii on Vn 15 kv; 5 B 5,12 10 V I 1 t E [mm] (13) [mm] (14) valida per sistemi elettrii on Vn>15 kv (metodo di Lee).[1][3] V. CLASSIFICAZIONE E SCELTA EI ISPOSITIVI I PROTEZIONE INIVIUALI (PI) RESISTENTI ALL ARCO. La normativa di riferimento sugli indumenti di protezione ontro gli effetti dell aro elettrio in ampo internazionale è la seguente: IEC indumenti di protezione ontro gli effetti termii dell aro elettrio requisiti dell indumento IEC metodo di prova determinazione dell ATPV Ar Thermal Performane Value CEI EN metodo di prova determinazione delle lassi di protezione dall aro elettrio di materiale e indumento usando il metodo dell aro forzato e diretto Il metodo illustrato nella norma IEC onsente di rilevare l ATPV (Ar Thermal Performane Value), he definise il limite di energia termia in termini di alore onvettivo radiante he un tessuto può sopportare prima he l utilizzatore subisa ustioni di 2 grado. Maggiore è l ATPV maggiore è la protezione offerta dall indumento.

5 La lassifiazione dei rishi e delle performane degli indumenti protettivi, onformemente ai valori di ATPV, è data dalla Norma NFPA 70E e riassunti nella Tabella III. Energia radiante inidente in TABELLA IV: CARATTERISTICHE EGLI INUMENTI PER ARC FLASH Classifiazione Tipo Abbigliamento di indumento da utilizzare (Flame Resistent FR) Peso [gr/m 2 ] Livello protezione ustioni di 2 grado ATPV 0<E 2 0 No FR N/A 2<E 5 1 amiia e ATPV 7 pantaloni FR 5<E 8 2A Indumenti + amiia e pantaloni FR ATPV 18 8<E 16 2B Indumenti + amiia e pantaloni FR+ tuta FR 16<E 25 3 Indumenti + amiia e pantaloni FR+ tuta FR 25<E 40 3 Indumenti + amiia e pantaloni FR+ appotto a doppio strato FR ATPV ATPV ATPV 60 Nel metodo di prova on aro elettrio diretto e forzato (CEI EN ), metodo europeo, le prove sono effettuate seondo 2 lassi in base alla orrente di ortoiruito presunta. Il grado di protezione termia, è stabilito in ondizioni di prova d aro speifiate. Il metodo riprodue le ondizioni di esposizione all aro nei sistemi a bassa tensione (lavori in prossimità di satole di derivazione, quadri di distribuzione, abine elettrihe di distribuzione, e.) in ui l aro è diretto verso l operatore in direzione dello sterno. Vengono testati su un manihino a mezzo busto i materiali e gli indumenti per valutarne le risposte all esposizione all aro sui fili delle inture, sulle hiusure, sul tessuto e sugli altri aessori. In base a questa normativa (CEI EN ), vengono definite due lassi di protezione: 1. Se l indumento è stato provato on la norma IEC il valore minimo deve essere ATPV 4 al/m 2 (167,5 KJ/ m 2 ); 2. Se l indumento è stato provato on la norma CEI EN , il materiale e l indumento devono superare il test per la lasse 1 o Seondo la norma CEI EN i requisiti dell indumento sono i seguenti: Tutti i materiali devono essere resistenti all aro elettrio; Le hiusure devono essere progettate in modo he dopo l esposizione all aro devono essere funzionanti; Non è permesso alun materiale metallio esposto all esterno; La parte frontale dell indumento e le manihe devono avere le stesse prestazioni se esposti all aro elettrio; Il filato per le uiture non deve presentare fusione e ombustione alla prova di resistenza al alore (5 minuti a 260 C). VI. ESEMPIO I VALUTAZIONE ARC FLASH. A titolo semplifiativo effettuiamo la valutazione del rishio Ar Flash in una abina MT/bt d utente (Fig. 3). ati Trasformatore: An=630kVA; K=15000/400; v=6% yn11. Nella Tabella V, sono stati riportati i aloli di Ar Flash effettuati nei punti 1 e 2 dello shema alle distanze di guardia ( L ) e di lavoro ( V ) per i lavori sotto tensione indiate nella Norma CEI TABELLA IV Classe Corrente di prova [ka] Tensione di prova in A.C. [V] Tempo durata dell aro [ms] di Per quanto riguarda i requisiti dell indumento, l assoiazione he deve essere fatta in funzione dell energia radiata inidente da Ar Flash, è la seguente: Fig. 3: Shema elettrio di abina MT/BT d utente sottoposta a test.

6 Grandezze TABELLA V: RISULTATI CALCOLI I ARC FLASH Punto 1 di Valutazione Ar Flash Punto 2 di Valutazione Ar Flash Tensione [kv] 15 0,4 Corrente di ortoiruito trifase [ka] Tempo di esposizione (tempo di apertura protezione magnetia) [s] istanza personale dalla parte attiva in tensione [mm] Energia inidente radiata in aria Categoria di Rishio 0,4 15,16 0,12 (tempo apertura relè 50) 160 (L CEI 11-27) 3,35 (Metodo di Lee) 0,1 (tempo apertura relè magnetio) 300 (V CEI 11-27) 4,79 (Metodo NFPA 70E) 5,89 (Metodo IEEE 1584) 1 2 Categoria PI 1 2 Le tenihe di riduzione dell Ar Flash onsistono nell intervenire sulle grandezze fisihe da ui esso dipende: : è possibile ridurre la orrente d aro usando I interruttori limitatori. tempo di esposizione: è possibile ridurre il tempo di esposizione all aro intervenendo sul tempo di intervento della protezione magnetia; a 70ms, E = 3,35 Categoria di rishio 1 (rispetto al aso di tabella V); a 15 ms, E = 0,72 Categoria di rishio 0. Tali ondizioni si possono realizzare attuare attraverso una mirata selettività logia delle protezioni magnetihe le quali devono essere predisposte per tale funzione (protezioni di tipo elettronihe). Utilizzando relè Ar Flash, i quali tramite dei sensori luminosi (light sensor) bypassano tutte le protezioni magnetihe imponendo all interruttore di aprire a presindere della taratura della protezione magnetia. Tali dispositivi, utilizzati negli Stati Uniti, sono di diffiile reperibilità in Italia. [4][5]. Manutenzione: Le operazioni di manutenzioni di tipo predittiva possono aiutare a prevenire fenomeni di Ar Flash. L uso della termografia a tale proposito si rivela uno strumento eellente per le verifihe sugli impianti, dalla quale si possono trarre importanti onlusioni mirate alle operazioni di manutenzione ed eventualmente di adeguamento degli impianti (arihi fortemente squilibrati, fenomeni di sovratemperatura all interno dei quadri elettrii, sovraarihi, e. e.). CONCLUSIONI L artiolo ha voluto porre la giusta attenzione ad un tipo di rishio elettrio la ui valutazione è del tutto trasurata nel nostro Paese. L Ar Flash è un tipo di rishio inatteso he si verifia on estrema violenza e se dovesse investire un lavoratore he si trova nel suo raggio d azione le onseguenze sarebbero quasi siuramente mortali. Il lavoro presentato, espone i metodi di valutazione del rishio Ar Flash sviluppati negli U.S.A. i quali possono estendersi anhe alle nostre realtà impiantistihe, adottando i parametri definiti nella nostra normativa tenia in materia di lavori elettrii (CEI 11-27) e on i tempi di esposizione delle nostre protezioni. Visto il vuoto normativo nazionale in materia, è un errore, a parere di hi srive, riferirsi per la protezione dai lavori elettrii ai soli PI indiati nella Norma CEI Ed ome molti tenii sostengono, ma tutte le indiazioni he se ne possono trarre sull uso dei PI appropriati all aro elettrio, vanno interpretati ome ondizioni minime di siurezza. Probabilmente l uso della sola visiera e dei soli guanti isolanti non sono suffiienti a resistere ad energie radianti inidenti signifiative è per questo neessario e obbligatorio, prima di individuare i PI da assegnare al personale addetto ai lavori elettrii, eseguire una seria valutazione del rishio Ar Flash. BIBLIOGRAFIA [1] C. J. Spezia, A Survey of Ar Flash Computation Methods and Mitigation Strategiesn, Jurnal of Industrial Tehnology. Volume 26, number 2, April 2010 through June [2] NFPA 70E-2012, Eletrial Safety Requirements for Employee Workplaes, Copyright 2012, National Fire Protetion Assoiation. [3] IEEE Std 1584TM-2002, Guide for Performing Ar Flash Hazard Calulation, Istitute of Eletrial and Eletronis Engineering, New York, NY. [4] C. Inshaw and R. A. Wilsonl, Ar Flash Hazard Analysis and Mitigation, Presented to Western Protetive Relay Conferene Spokane, WA, Otober 20 th, [5] H. Piard (Eaton), J. Verstraten (ow) and R. Luhtemberg (Nam/Shell), Pratial Approahes to Mitigating Ar Flash Eposure in Europe, Copyright Material PCIC Europe Paper No. IS-20.