In this treatment we will discuss the concepts and the guidelines adopted for the proper plant design, the electrical plant dimensioning and the related equipment selection.

During the engineering construction and development stage, the electrical designer will be responsible to collect from all other disciplines, information on quantities, physical and orographic location of all electrical equipment to be powered and managed.

Except for specific plant requirements stated by customer requests, the sizing is planned analyzing the following variables:

• The distribution system
• The voltage levels
• The system of the neutral at the various levels of the distribution system
• The choice of equipment
• The load centers
• The capacity of the electrical system
• The voltage drop

The distribution system will be designed according to factors that may influence the choice such as continuity of operation, the degree of reliability of the power sources, the total load, the concentration of utilities, the operating costs, a feasible maintenance, etc…

The voltage levels will be chosen according to the entity and orographic dislocation of the loads to be supplied, the prediction of future expansion of the system, the power of short circuit values resulting in the various points of the system and the possibility of reducing to the minimum voltage levels, compatibly with the voltage drops. 

Usually the system of the neutral, the LV side, is provided with the neutral point connected directly to ground, while the MV side, is provided with the neutral point connected to ground through a resistor adapted to limit the current of phase to earth fault, without affecting the functionality of the protections coordination.

The choice of equipment will be a function of the sizes resulting from the calculations of the power absorbed by the load and with the safety factors applicable, selecting such equipment in the range of standard sizes available on the market.

The load centers, independently from the configuration that will take on the distribution system, are normally divided into MV switchboards (MVS), distribution boards and starter (for motors above 30 kW) Low Voltage (LVS-Power Center), switchboard of starter motors (LVSMCC- Motor Control Center) Switchboard for auxiliary services (ASS), privileged switchboard, powered by secure network (generator set), DC panel board (DCP) and secondary boards (SB), for the lighting power, tracking systems, motorized valves, etc…

The capacity of the electrical system consists in the dimensioning of each individual user and of the whole, in order to meet the maximum demand of the load expected in the most demanding operating conditions and at maximum concurrence of continuous loads and of possible further intermittent loads. From this sizing derives the total concurrence capacity of the electrical system, considering to have a possible future expansion of that facility. 

The maximum voltage drop in the various parts of the electrical system must be contained within the limits which are usually defined with the following values:

• 5% in power cables for motor feeders, with motors operating at rated power; 
• 25% at the motor terminals during starting or acceleration, treating it as the sum of the voltage drops in the cables and bars of switchboard of the same motors;
• 15% on the motors feeder switchboard bus-bars during starting or reacceleration of the bigger motors, without compromising the functioning of all the other machines operating in contemporary;
• 1% in feeding cables of lighting panel, in the conditions of maximum load and running at the same time;
• 2% in power cables of lighting fixtures.

Obviously, these values should be considered as a "chain" of voltage drops up to the heads of end users, containing such voltage drops within the limits of the proper functionality.

Established how many and where the electric utilities will be installed, the first action will be to analyze where the cabin of MV/LV transformation may be properly located or, in the case the extension of the plant will be large, the dislocation of more MV/BT cabins in focal points for the users and, if necessary, for high loads, the power substation HV/MV.

Based on these assumptions, the electrical designer will draw up one or more utilities lists and will realize the main single line diagram with the subdivision of primary and secondary switchboards.

1. The plant characteristics 

Each system has its own specific plant characteristics which can be summarized in:

• Normalization of cable lines, in order to adopt homogeneous sections and suitable for the installation requirements such as power failure, check the thermal stress resulting from short circuits, selectivity of protection intervention etc.
• Normalization of circuits, in order to predetermine power systems even in the absence of the final engineering.
• Orographic location of the switchboards, in order to give a full coverage of the distribution of the services required for the proper management and maintenance of the plant.
• Levels of illumination for normal lighting system.
• Levels of illumination for emergency lighting system.

The normalization of cable lines is designed in order to have a proper installation and maintenance in the life time of the plant and, for these reasons, the designer adopt systems of laying cables according to the weather conditions, the temperature variation in the subsoil, the proximity of active cables (hot wires) and of the voltage levels, calculating the sections in function of the levels of voltage drop mentioned above.

The normalization of circuits, except that for individual utilities such as motors, heat exchangers, heaters and complex equipment packages for which you have dedicated lines, such as feeder circuits for lighting, tracing systems, lighting and power sockets circuits and motorized valves feeder circuits, can be defined with circuits that, starting from specific local switchboards, will be able to feed such systems with voltage drops contained, and then with normalized sections of the cables. 

2. The orographic location of switchboards

The orographic location of switchboards is another of the various analysis functions that the designer must consider in order to have a optimum "cover" of general services required for a proper system operation.

The normal lighting levels, except for specific requirements of the project, are measured in a horizontal plane at one meter from the floor and should be considered as average values over the year, considering an average decline of 20% compared to the normal level.

The emergency lighting levels, measured on a horizontal surface at a meter from the floor and regarded as average values over the year, except for specific requirements of the project, must meet the mandatory requirements of EN 60598-2-22 and must ensure:

• a value of lumens, declared by the manufacturer of the device, after a normal current interruption and continually maintained up to the end of the nominal lifetime of operation of 60s (0.5s for equipment installed in high risk areas);
• with a duration, in time, of the luminous flux in lumens, in emergency conditions, as stated by the manufacturer.

As shown in the lay-out plan above, the electrical circuits for general services are divided into:

1. Normal lighting circuits (-QLN…)

2. Emergency lighting circuits, designed to operate when the power of the normal lighting fails (CIE Publication 17.4) which are divided into: (-QLE ...)

• Permanent emergency circuits in which the emergency lighting fixtures are always powered when normal or emergency lighting is required. (-QLE...).
• Emergency circuit not maintained in emergency, in which the emergency lighting fixtures are in operation only when the power for the normal lighting is out of service. (-QLE ...).
• Combined emergency circuits, in which the lighting fixtures containing two or more lamps, have at least, one lamp supplied by emergency illumination and, the other, by the normal illumination. (-QLE ...).
• Emergency circuits with lighting fixtures with built-in batteries, in which there are emergency lighting fixtures with maintained or not maintained emergency, in which all elements, such as the battery, the lamp, the control unit, the test and the structures of control, where provided, are contained within the unit or adjacent to it (that is, within 1m cable length).
• Emergency circuit with centralized power supply, in which the lighting fixture, permanent or not permanent, is fed from a centralized emergency source (for example by UPS), with possible satellite management. (-QLE ...)

3. Security lighting circuits which are part of emergency lighting designed to ensure the safety of people during the evacuation of an area or of those attempting to complete a potentially dangerous operation before leaving the zone. (-QLE ...)

4. Backup lighting circuits, which are part of the emergency lighting that allows to continue normal activities without substantial changes. (-QLE ...)

5. High-risk areas lighting circuits which are part of the emergency lighting aimed to assuring the safety of the people involved in processes or potentially dangerous situations and to allow appropriate shutdown procedures for the safety of operators and of occupants of the rooms. (-QLE ...).

6. Lighting sockets feederes circuits at 230Vac (-QPL ...)

7. Driving power sockets feeder circuits at 400 Vac (-QPFM…)

8. Tracking systems feeder circuits (-QTR ...)

9. Motor operated valves feeder circuits (-QMOV…)

3. The LED innovation 

The technical innovation has brought a radical change in lighting systems, change due to the introduction of new LED lighting fixtures that, at the same luminous flux, have the advantage of absorbing an amount of energy some times up to 70% less the energy required with the use of traditional discharge lamps or fluorescent lamps lighting fixtures. 

For this reason, will be possible to revise the basic concepts of circuit sizing which, as standard practice up to today, provided a maximum load of 2 kW for each light circuit, in order to have a homogeneous and unified circuitry for a localized distribution.

Now, on the basis of what described above, such circuits will have less power and, therefore, it will be possible to provide switchboards with several outgoing but with equal total installed/absorbed load.

4. The local systems

Similarly, but without the decrease of load, even the remaining systems mentioned above require a specific engineering for each type of plant, keeping the usual engineering criteria such as:

• Coverage of the areas in order to ensure a proper management and maintenance, with the positioning of 230Vac light sockets within a radius of 25 meters between each other or within a radius of 50 meters for 400 Vac power sockets.
• Placement in a central area for all other types of switchboards such as tracking and MOV, depending on the placement of these utilities respect to the plant.

For the reasons above, the designer of the system, pays great attention for a correct selection of the types of materials, depending on the specific needs of the plant within which such equipment must operate.

Cortem Group, always attentive to these issues and always looking for new technologies to improve its products by reducing the environmental impact both in energy consumption and disposal at the end of life, has, within its manufacturing unit in Villesse, a technical staff for research and development of new technologies. 

5. Conclusions

As you can see, the list of variables that contribute to a proper design are varied and not easily predictable in the early stages of the design, so the search for a normalization is an excellent tool to predict the changes in the various stages of the engineering details.

1. Le caratteristiche impiantistiche

Ogni sistema ha le sue specifiche caratteristiche impiantistiche che si possono riassumere in:

• Normalizzazione delle linee cavi, al fine di adottare sezioni omogenee e confacenti alle esigenze impiantistiche quali caduta di tensione, verifica alla tenuta termica derivante da corto circuiti, selettività di intervento protezioni ecc.
• Normalizzazione dei circuiti, al fine di poter predeterminare i sistemi di alimentazione anche in assenza di ingegneria finale.
• Dislocazione orografica dei quadri, al fine di dare una copertura totale della distribuzione dei servizi richiesti per una corretta gestione e manutenzione dell’impianto.
• Livelli di illuminamento per sistema di illuminazione normale.
• Livelli di illuminamento per sistema di illuminazione di emergenza.

1. Circuiti di illuminazione normale (-QLN…).
2. Circuiti di illuminazione di emergenza, destinati a funzionare quando l’alimentazione dell’illuminazione normale viene a mancare (Pubblicazione CIE 17.4) che si suddividono in: (-QLE…)

• Circuiti di emergenza permanente, nei quali le lampade di illuminazione di emergenza sono sempre alimentate quando è richiesta l'illuminazione normale o di emergenza. (-QLE...)
• Circuiti di emergenza non mantenuti in emergenza, nei quali le lampade di illuminazione di emergenza sono in funzione solo quando l'alimentazione per l'illuminazione normale è fuori servizio. (-QLE…)
• Circuiti di emergenza combinati, nei quali i corpi illuminanti, contenenti due o più lampade, hanno almeno una lampada alimentata dall’illuminazione di emergenza e le altre dalla normale alimentazione. (-QLE…)
• Circuiti di emergenza con corpi illuminanti con batterie incorporate, nei quali sussistono corpi illuminanti di emergenza mantenuta o non mantenuta, in cui tutti gli elementi, come ad esempio la batteria, la lampada, l'unità di controllo, il test e le strutture di controllo, ove previsto, sono contenute all'interno dell'apparecchio o adiacente ad esso (cioè, entro 1m di lunghezza del cavo).
• Circuiti di emergenza con alimentazione centralizzata, nei quali il corpo illuminante permanente o non permanente, viene alimentato da una sorgente di emergenza centralizzata (ad esempio da UPS), con eventuale gestione satellitare. (-QLE…)

• Circuiti di emergenza permanente, nei quali le lampade di illuminazione di emergenza sono sempre alimentate quando è richiesta l'illuminazione normale o di emergenza. (-QLE...)
• Circuiti di emergenza non mantenuti in emergenza, nei quali le lampade di illuminazione di emergenza sono in funzione solo quando l'alimentazione per l'illuminazione normale è fuori servizio. (-QLE…)
• Circuiti di emergenza combinati, nei quali i corpi illuminanti, contenenti due o più lampade, hanno almeno una lampada alimentata dall’illuminazione di emergenza e le altre dalla normale alimentazione. (-QLE…)
• Circuiti di emergenza con corpi illuminanti con batterie incorporate, nei quali sussistono corpi illuminanti di emergenza mantenuta o non mantenuta, in cui tutti gli elementi, come ad esempio la batteria, la lampada, l'unità di controllo, il test e le strutture di controllo, ove previsto, sono contenute all'interno dell'apparecchio o adiacente ad esso (cioè, entro 1m di lunghezza del cavo).
• Circuiti di emergenza con alimentazione centralizzata, nei quali il corpo illuminante permanente o non permanente, viene alimentato da una sorgente di emergenza centralizzata (ad esempio da UPS), con eventuale gestione satellitare. (-QLE…)

3. Circuiti di illuminazione di sicurezza, che sono parte dell’illuminazione di emergenza destinata a provvedere alla sicurezza delle persone durante l’evacuazione di una zona o di coloro che tentano di completare un’operazione potenzialmente pericolosa prima di lasciare la zona stessa. (-QLE…)

4. Circuiti di illuminazione di riserva, che sono parte dell’illuminazione di emergenza che consente di continuare la normale attività senza sostanziali cambiamenti. (-QLE…)

5. Circuiti di illuminazione di area ad alto rischio, che sono parte dell’illuminazione di emergenza destinata a garantire la sicurezza delle persone coinvolte in processi di lavorazione o situazioni potenzialmente pericolosi e a consentire procedure di arresto adeguate alla sicurezza dell’operatore e degli occupanti dei locali. (-QLE…)

6. Circuiti di alimentazione prese luce a 230 Vca (-QPL…).

7. Circuiti di alimentazione prese Forza motrice a 400 Vca (-QPFM…).

8. Circuiti di alimentazione sistemi di tracciatura (-QTR…).

9. Circuiti di alimentazione valvole motorizzate (-QMOV…).

3. L’innovazione dei LED 

L’innovazione tecnica ha portato un radicale cambiamento nei sistemi di illuminazione, cambiamento dovuto all’introduzione di nuovi corpi illuminanti a LED che, a parità di flusso luminoso, hanno il vantaggio di assorbire una quantità di energia, a volte sino al 70% in meno dell’energia necessaria, con impiego di corpi illuminanti con lampade tradizionali a scarica o fluorescenti.

Per questo motivo, si potranno rivedere i concetti base del dimensionamento circuitale che, come di prassi si è fatto sino ad oggi, prevedevano un carico massimo di 2 kW per ogni circuito luce, al fine di avere una circuiteria omogenea e unificata per una distribuzione localizzata.

Ora, sulla scorta di quanto sopra descritto, tali circuiti avranno una potenza decisamente inferiore e, quindi, si potranno prevedere quadri con più partenze a parità di carico totale installato/assorbito.

4. I sistemi locali

Analogamente, ma senza la diminuzione di carico, anche i restanti sistemi summenzionati necessitano di una ingegnerizzazione specifica per ogni tipologia di impianto con il mantenimento dei criteri ingegneristici usuali quali:

• Copertura delle aree, al fine di garantire una corretta gestione e manutenzione, con il posizionamento di prese luce a 230Vca entro un raggio di 25 metri una dall’altra o entro un raggio di 50 metri per prese forza motrice a 400 Vca.
• Posizionamento in zona baricentrica per tutte le restanti tipologie di quadri quali tracciatura e MOV, in funzione dei posizionamenti di tali utenze rispetto all’impianto.

Per le motivazioni di cui sopra, il progettista dell’impianto, presta la massima attenzione per una corretta selezione delle tipologie di materiali, in funzione delle specifiche necessità degli impianti entro i quali tali apparecchiature dovranno funzionare.

Cortem Group, sempre attenta a tali problematiche e sempre e costantemente alla ricerca di nuove tecnologie per un miglioramento dei suoi prodotti con diminuzione dell’impatto ambientale sia nei consumi energetici, sia nello smaltimento di fine vita, ha, all’interno della sua unità produttiva di Villesse, uno staff tecnico per la ricerca e sviluppo di nuove tecnologie che siano sempre all’avanguardia industriale.

4. Conclusioni

Come si può ben capire, l’elencazione delle variabili che concorrono ad una corretta progettazione sono molteplici e non facilmente prevedibili nelle prime fasi della progettazione, quindi la ricerca di normalizzazione è un ottimo strumento per poter prevedere le variazioni nelle varie fasi della progettazione di dettaglio.