Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione �

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Dicembre 2006

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Gli interruttori ABB nei

quadri di bassa tensione

Indice

Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione

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Introduzione

... 2

1 Il riscaldamento nei quadri elettrici 1

.1 Generalità. ... 3

1

.2 La portata in corrente ... 3

1

.3 Verifica delle sovratemperature mediante prova secondo la CEI EN 60439-1 ... 4

1

.4 Verifica delle sovratemperature mediante estrapolazione ... 7

2 Consigli per migliorare la portata degli interruttori in quadro 2

.1 Potenza dissipata all’interno del quadro ... 9

2.1.1 Conformazione struttura interna ...9

2.1.2 Tipologia di interruttore istallato ...9

2.1.3 Sezione dei conduttori interni al quadro ...11

2.1.4 Percorsi effettuati dalla corrente ...15

2

.2 Smaltimento del calore prodotto all’interno del quadro ... 16

2.2.1 Ventilazione del quadro ...16

2.2.2 Superfici laterali e posizionamento del quadro ...16

2.2.3 Le segregazioni del quadro ...17

2.2.4 Grado di protezione del quadro ...17

2

.3 Smaltimento del calore prodotto nei terminali ... 17

2.3.1 Problematiche legate alla convezione ...17

2.3.2 Problematiche legate alla conduzione ...20

2.3.3 Portata interruttori e sbarre ...22

3 Problematiche relative al cortocircuito 3

.1 Principali definizioni dei parametri che caratterizzano il quadro in condizioni di cortocircuito ... 39

3.1.1 Prescrizioni generali ed informazioni sulla tenuta al cortocircuito ...39

3

.2 Prescrizioni relative ai circuiti elettrici del quadro ... 40

3.2.1 Sistemi di sbarre principali ...40

3.2.2 Sbarre e conduttori di distribuzione derivati dalle sbarre principali ...41

3

.3 Riduzione delle possibilità e degli effetti del cortocircuito ... 42

3.3.1 Distanze minime di ancoraggio dei conduttori ...42

3.3.2 Verifica della tenuta al cortocircuito e limitazione degli interruttori ...45

3.3.3 Problematiche relative alle distanze d’installazione ...46

Appendice A: Esempio di quadri elettrici realizzati con interruttori ABB ... 48

Appendice B: Forme di segregazione ... 50

Appendice C: Gradi di protezione IP ... 51

Glossario ... 52

Un quadro elettrico è costituito dall’assieme di più appa- recchiature 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 pro- tezione 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

prodotto¹ relative a quadri e interruttori, rispettivamente la CEI EN 60439-1 e la CEI EN 60947-2 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 ri- scaldamento nel quadro, alle indicazioni per migliorare la portata degli interruttori e alle problematiche che si generano in un quadro a causa del cortocircuito.

1 Intr oduzione

1 La norma di prodotto CEI EN 60439-1 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 60947-2 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.

1 Il riscaldamento nei quadri elettrici

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 deter- minarne 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 co- struiti e sottoposti a prove secondo la norma di prodotto CEI EN 60947-2 (CEI 17-5) “Apparecchiature a bassa tensione Parte 2: Interruttori automatici”, identica alla norma internazionale IEC 60947-2 “Low-voltage switch- gear and controlgear Part 2: Circuit-breakers”.

Per quanto riguarda la verifica della portata in servizio continuativo, la norma CEI EN 60947-2 precisa le con- dizioni in cui deve essere effettuata la prova. Riportiamo qui sotto le più importanti:

- la portata è verificata in aria libera

la norma CEI EN 60947-1 “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 normal- mente 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’interrut- tore

- 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 temperatu- re 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 gene- ralmente 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 volon- tarie);

- fornire un alloggiamento fisico agli interruttori che permetta una stabilità del posizionamento;

- garantire un’adeguata protezione contro la penetrazio- ne di corpi solidi estranei e contro l’ingresso di sostanze liquide.

Questi involucri sono chiamati quadri elettrici e rispon- dono ad una specifica norma di prodotto, la CEI EN 60439-1 (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 60439-1.

Le condizioni d’installazione all’interno di un quadro elet- trico sono però differenti rispetto alle condizioni standard previste dalla CEI EN 60947-2, 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

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 segre- gazione elevata (figura 2) oppure quadri con ventilazione forzata o quadri climatizzati

Fig.2

- il cablaggio degli interruttori è realizzato con con- duttori di sezione e lunghezza stabiliti dal quadri- sta

- 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 mo- dalità di posizionamento del quadro nell’ambiente fanno variare la quantità di calore scambiato verso l’esterno e conseguentemente anche la temperatura dell’aria all’in- terno del quadro.

A conclusione di queste considerazioni si vede come le condizioni che portano il costruttore a definire una por- tata ininterrotta nominale per il singolo interruttore sono fondamentalmente diverse dalle condizioni in cui l’inter- ruttore 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 60947-1 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 in- stallazione o delle diverse sezioni dei conduttori usati.

Inoltre, anche la norma relativa agli interruttori di bassa tensione CEI EN 60947-2, 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 60439-1.

1

.3 Verifica delle sovratemperature mediante prova (secondo la CEI EN 60439-1)

La norma quadri CEI EN 60439-1 non fa riferimento ai sin- goli 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 con- duttori. 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’utiliz- zazione 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 mag- gior 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 qualsia- si, 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 cor- rente 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

1 Il riscaldamento nei quadri elettrici

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 con- dizioni 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”.

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

Fig.3

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 va- lori 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 60439-1 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 60439-1 (aggiornamento dell’appendice A1 del marzo 2005) che

hanno validità quando la verifica della temperatura è condotta mediante prova secondo la prescrizione della norma stessa.

Tabella 1

Parti di una

apparecchiatura Sovratemperatura (valori o prescrizioni) Componenti incorporati

Per esempio apparecchi conven- zionali di protezione e di manovra;

sottoassiemi elettronici come ponti raddrizzatori e circuiti stampati;

parti di equipaggiamento come regolatore, alimentatore stabiliz- zatore di potenza, amplificatore operazionale.

In accordo con le relative prescri- zioni delle norme di prodotto per i componenti singoli, o secondo le istruzioni del costruttore dei compo- nenti, tenendo in considerazione la temperatura all’interno del quadro.

Terminali per conduttori

esterni isolati 70K

Un quadro utilizzato o provato nelle condizioni di installazione può avere connessioni di tipo, natura e dispo- sizione 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 sovratem- peratura più basso.

Sbarre e conduttori, contatti di innesto di parti asportabili o estraibili che si collegano

alle sbarre

Limitata da:

- resistenza meccanica del mate- riale conduttore;

- possibili influenze sull’apparec- chiatura 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 so- vratemperatura massima di 105K per sbarre e conduttori di rame nudi non deve essere superata per garantire la resistenza meccanica del materiale conduttore.

Organi di comando manuale:

Accessibili dopo apertura del quadro chiuso

di metallo 15K

di materiale isolante 25K

Accessibili solo a quadro aperto

di metallo 40K

di materiale isolante 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

I1

IG I2

I3

I4 I5 I6 I7 C

B D E A

1 Il riscaldamento nei quadri elettrici

Tabella 2

delle norme di prodotto. Risulta evidente però che l’in- terruttore 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 sovratem- peratura fornite nella norma CEI EN 60947-2 per l’inter- ruttore inteso come apparecchio singolo in aria libera.

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

Dalla tabella 2 si vede come per l’interruttore in aria libera, sui terminali è ammessa una sovratem- peratura ΔT=80K; quindi, prendendo come rife- rimento 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 tempe- ratura 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 com- ponenti incorporati (l’interruttore è un componente del quadro), permette al costruttore di indicare per i terminali

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 compo- nente 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.

Descrizione della parte Limite di sovratemperatura

Limite di temperatura (partendo da T_A = 35 °C) Terminali per conduttori

esterni isolati

(CEI EN 60439-1) 70K 105 °C

Terminali (per interruttore

in quadro) 85K 120 °C

Organi per la manovra manuale:

Accessibili a quadro chiuso (CEI EN 60439-1)

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

Parti intese ad essere toccate ma non afferrate: (CEI EN 60439-1)

metalliche 30K 65 °C

di materiale isolante 40K 75°C

Parti accessibili che non necessitano di essere toccate durante le normali operazioni (CEI EN 60439-1)

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

Tabella 3

Fig.5 Connessione con

cavo isolato PVC

Connessione con sbarra

1 Il riscaldamento nei quadri elettrici

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 sovra- temperature possa essere eseguita anche mediante estrapolazione con specifico rimando alle prescrizioni date nella norma CEI 17-43 o IEC/TR 60890 “Metodo per la determinazione delle sovratemperature, median- te 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 sovra- temperatura 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 del- l’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.

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, co- perto su un lato...);

- la presenza e le dimensioni delle aperture di ventila- zione;

- il numero di setti orizzontali.

Per l’analisi dei metodi di calcolo proposto si rimanda il lettore alla consultazione della norma stessa.

Per effettuare un’analisi della sovratemperatura secon- do 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 funzio- nare a quella temperatura o se devono essere sostituiti da componenti diversi.

Ai fini di questa valutazione, per quanto riguarda gli in- terruttori, 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 preceden- za, 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 17-43 è un meto- do 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 ta- belle 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

2 Consigli per migliorar e la portata degli interruttori in quadr o

Per fornire una serie di indicazioni sui metodi da adottare per migliorare la portata degli interruttori in quadro è ne- cessario, 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

Il quadro a sua volta scambia calore verso l’ambiente esterno. Questo scambio avviene anch’esso per condu- zione (attraverso i cavi collegati al quadro), convezione ed

irraggiamento, come schematizzato in figura 7.

Nei quadri con grado di protezione non troppo elevato, oppure con aperture di ventilazione, parte del calore vie- ne scambiato attraverso una vera e propria circolazione di aria tra il quadro e l’ambiente esterno.

Fig.7

Tutti questi fenomeni di circolazione e scambio d’aria interna ed esterna, unita alla struttura del quadro, influen- zano 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 condi- zionare 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 qua- dro;

- lo smaltimento del calore prodotto nei terminali.

Conduzione

Convezione

Irraggiamento

Calore Calore

Calore Interruttore

Sbarre di connessione

Sbarre di connessione

Sbarre di connessione Interruttore

Interruttore

Parete del quadro

Aria interna

Aria esterna

Struttura portante in materiale amagnetico

Sbarre

Isolatore

Sbarre di un polo

2 Consigli per migliorar e la portata degli interruttori in quadr o

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.

2.1.1 Conformazione struttura interna

Nei quadri spesso accade che il materiale utilizzato per realizzare la struttura e le segregazioni sia di tipo ferro- magnetico 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.

Tabella 4

Fasin°

Sbarre in n°

parallelo per fase Sezione

[mm] In [A]

Materiale dell’involucro (blindosbarre)

Perdite nell’involucro

% delle perdite totali nei condotti sbarre 3 1 100x10 1000 ferromagnetico 35% - 45%

3 3 100x10 3000 ferromagnetico 55% - 65%

3 3 100x10 3000 amagnetico

(alluminio) 15% - 20%

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 influen- zare in maniera rilevante il riscaldamento.

Per una valutazione delle perdite bisogna anche conside- rare la geometria della forma della segregazione: infatti, se una spira di materiale ferromagnetico circonda tutti e

Anche il fissaggio meccanico dei conduttori potrebbe generare questo inconveniente, è perciò importante im- pedire la formazione di spire chiuse inserendo ad esempio setti di separazione o ancoraggio in materiale amagnetico e/o isolante (vedere figura 9).

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 Fig.8a

Fig.9

2.1.2 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 prote- zione installato.

Materiale ferromagnetico della segregazione

Terminali

Induzione di corrente Nessuna induzione

2 Consigli per migliorar e la portata degli interruttori in quadr o

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 termoma- gnetici dissipano potenze superiori rispetto agli inter- ruttori equipaggiati con sganciatori elettronici.

In situazioni particolarmente gravose dal punto di vista termico è quindi consigliabile l’utilizzo d’interruttori in

esecuzione fissa ed equipaggiati con sganciatori di tipo elettronico.

Non si considera differente la dissipazione di un interrut- tore in versione tripolare rispetto ad una versione tetrapo- lare, poiché in un normale circuito si ipotizza trascurabile la corrente che transita nel conduttore di neutro.

Potenza dissipata totale

(3/4 poli) In T11P T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 S,H,L T7 V

[W] [A] F F F P F P F P/W F P/W F W F W F W

Relé 1 4.5 5.1

1.6 6.3 7.5

2 7.5 8.7

2.5 7.8 9

3.2 8.7 10.2

4 7.8 9

5 8.7 10.5

6.3 10.5 12.3

8 8.1 9.6

10 9.3 10.8

12.5 3.3 3.9

16 1.5 4.5 4.2 4.8

TMF 20 1.8 5.4 5.1 6 10.8 10.8

TMD 25 2 6 6.9 8.4

TMA 32 2.1 6.3 8.1 9.6 11.1 11.1

MF 40 2.6 7.8 11.7 13.8

MA 50 3.7 11.1 12.9 15 11.7 12.3

63 4.3 12.9 15.3 18 12.9 15.3

80 4.8 14.4 18.3 21.6 14.4 17.4 13.8 15

100 7 21 25.5 30 16.8 20.4 15.6 17.4

125 10.7 32.1 36 44.1 19.8 23.7 18.6 21.6

160 15 45 51 60 23.7 28.5 22.2 27

200 39.6 47.4 29.7 37.2

250 53.4 64.2 41.1 52.8

320 40.8 62.7

400 58.5 93

500 86.4 110.1

630 92 117

800 93 119

10 1.5 1.8

25 3 3.6

63 10.5 12

100 24 27.2 5.1 6.9

PR221 160 51 60 13.2 18

PR222 250 32.1 43.8

PR223 320 52.8 72 31.8 53.7

400 49.5 84 15 27 24 36

630 123 160.8 90 115 36 66 60 90

800 96 125 57,9 105,9 96 144

1000 150 90 165 150 225

1250 141 258 234,9 351,9

1600 231 423

Tabella 5

F:fisso W:estraibile P:rimovibile

Potenza dissipata totale

(3/4 poli) X1B-N X1L E1B-N E2B-N-S E2L E3N-S-H-V E3L E4S-H-V E6H-V

[W] F W F W F W F W F W F W F W F W F W

In=630 41 63 50 87

In=800 65 100 80 140 65 95 29 53 22 36

In=1000 102 157 125 219 96 147 45 83 38 58

In=1250 159 257 196 342 150 230 70 130 105 165 60 90

In=1600 260 400 253 378 115 215 170 265 85 150

In=2000 180 330 130 225 215 330

In=2500 205 350 335 515

In=3200 330 570 235 425 170 290

In=4000 360 660 265 445

In=5000 415 700

In=6300 650 1100

F:fisso W:estraibile P:rimovibile Tabella 6

1) d d d d

2 Consigli per migliorar e la portata degli interruttori in quadr o

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 com- presa tra il 20% ed il 40% della potenza totale dissipata nel quadro.

La norma CEI 17-43 (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

potenza dissipata all’interno del quadro.

Si ritiene inoltre utile far osservare come i cavi che en- trano nel quadro dall’esterno diano un contributo non trascurabile alla potenza dissipata, mentre spesso essi non sono considerati nel calcolo poiché non sono con- siderati “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.

Tabella 7: Corrente di funzionamento e potenze dissipate dei conduttori isolati Sezione

(Cu) Temperatura massima ammessa del conduttore 70° C

Temperatura dell’aria intorno ai conduttori all’interno dell’involucro

35 °C 55 °C 35 C 55 °C 35 °C 55 °C

corrente di funzionamento potenze dissipate 2) corrente di funzionamento potenze dissipate 2) corrente di funzionamneto potenze dissipate 2) corrente di funzionamento potenze dissipate 2) corrente di funzionamento potenze dissipate 2) corrente di funzionamento potenze dissipate 2)

mm² A W/m A W/m A W/m A W/m A W/m A W/m

1.5 2.5 4

12 17 22

2.1 2.5 2.6

8 11 14

0.9 1.1 1.1

12 20 25

2.1 3.5 3.4

8 12 18

0.9 1.3 1.8

12 20 25

2.1 3.5 3.4

8 12 20

0.9 1.3 2.2 6

10 16

28 38 52

2.8 3.0 3.7

18 25 34

1.2 1.3 1.6

32 48 64

3.7 4.8 5.6

23 31 42

1.9 2.0 2.4

32 50 65

3.7 5.2 5.8

25 32 50

2.3 2.1 3.4 25

35 50

85 104 130

6.3 7.5 7.9

55 67 85

2.6 3.1 3.4

85 115 150

6.3 7.9 10.5

65 85 115

3.7 5.0 6.2 70

95 120

161 192 226

8.4 8.7 9.6

105 125 147

3.6 3.7 4.1

175 225 250

9.9 11.9 11.7

149 175 210

7.2 7.2 8.3 150

185 240

275 295 347

11.7 10.9 12.0

167 191 225

4.3 4.6 5.0

275 350 400

11.7 15.4 15.9

239 273 322

8.8 9.4 10.3

300 400 13.2 260 5.6 460 17.5 371 11.4

Conduttori per i circuiti ausiliari

mm² A W/m A W/m Diam.

0.12

0.14 2.6

2.9 1.2

1.3 1.7

1.9 0.5

0.6 0.4

- 0.20

0.22 3.2

3.6 1.1

1.3 2.1

2.3 0.5

0.5 -

0.5 0.30

0.34 4.4

4.7 1.4

1.4 2.9

3.1 0.6

0.6 0.6

0.6 0.50

0.56 6.4 1.8

1.6 4.2 0.8

0.7 0.8

- 0.75

1.00 8.2

9.3 1.9

1.8 5.4

6.1 0.8

0.8 1.0

-

1) 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