Il dimensionamento dei conduttori elettrici

Per impiego in “quadri” adatti per installazione in zone classificate con pericolo di esplosione - Parte terza In questa terza parte...

In questa terza parte intendiamo mettere in risalto quanto sia importante dimensionare correttamente i conduttori elettrici da utilizzare come “cablaggio” all’interno dei Quadri di distribuzione, che saranno installati negli impianti con presenza di pericolo di esplosione.

Affinché i conduttori elettrici siano correttamente dimensionati, è necessario che sia fatta un’analisi anche delle grandezze e delle caratteristiche degli organi preposti alla loro protezione e alla protezione dei carichi sottesi. Oltre alla portata di corrente dei conduttori e alla temperatura di esercizio, è fondamentale che siano dimensionati anche in funzione dell’energia specifica passante, al fine di evitare che il surriscaldamento, generato durante l’esercizio o durante la manifestazione di sovracorrenti dovute a malfunzionamenti causati da cortocircuiti, possa essere la causa dell’incremento della temperatura superficiale del contenitore e, conseguentemente, dell’innesco automatico di esplosione dell’atmosfera esterna che in quel momento potrebbe essere satura di gas.

Il dimensionamento dovrà essere in funzione dell’energia specifica passante (I2t) nei singoli conduttori in condizioni estreme di corto circuito (valore rilevabile nella documentazione tecnica del costruttore). Tale valore è preso come base di calcolo in funzione della classe di temperatura e della temperatura ambiente di progetto.

Facciamo, a titolo esemplificativo ma non limitativo, un breve excursus su quanto enuncia la normativa elettrica di riferimento.

in cui:

t =

durata, espressa in secondi

S=

sezione conduttore, espressa in mmq

I =

corrente effettiva di cortocircuito, in ampere, espressa in valore efficace

K =

115

per conduttori in rame isolati con PVC

143

per conduttori in rame isolati con gomma etilenpropilenica e propilene reticolato

74

per conduttori in alluminio isolati con PVC

87

per conduttori in alluminio isolati con gomma etilenpropilenica e propilene reticolato

115

corrispondente a una temperatura di 160°C, per le giunzioni saldate a stagno tra conduttori in rame

La formula sopra indicata suppone che il riscaldamento dei conduttori, durante il passaggio della corrente di cortocircuito, sia adiabatico.La formula è meglio rappresentata nel modo seguente: 

dove (I2t) è l'integrale di Joule per la durata del cortocircuito (in A2s), dove "A" è uguale a corrente e "s" a tempo.Per i cortocircuiti di durata superiore ad alcuni periodi il valore di (I2t) si può ottenere assumendo per "I " il valore efficace in ampere della corrente di cortocircuito e per "t" la durata, in secondi, del cortocircuito stesso; per durate brevi (< 0,1 s), quando l'asimmetria della corrente di cortocircuito è rilevante e per i dispositivi di protezione limitatori dell'energia passante, il valore (I2t) lasciato passare deve essere indicato dal costruttore del dispositivo di protezione. La formula deve essere verificata per un cortocircuito che si produca in un punto qualsiasi della conduttura protetta. I valori della costante “K” sono stati determinati sulla base dei valori delle temperature massime ammesse durante il servizio ordinario e durante il cortocircuito per l’isolamento dei cavi.Tali parametri, in quest’analisi riferiti a conduttori con isolamento in PVC, funzionanti a una temperatura di esercizio di 70°C e a una temperatura di cortocircuito di 160°C, saranno da ricalcolare in funzione della classe di temperatura richiesta (classe di temperatura che deve essere comunicata dal cliente in sede di richiesta dimensionale) e considerando che la massima temperatura raggiungibile dai conduttori non deve mai superare la massima temperatura superficiale per la specifica classe di temperatura di progetto.

Secondo quanto sopra descritto, è evidente che un corretto dimensionamento dei conduttori elettrici riveste primaria importanza, al fine di evitare il manifestarsi sistematico di temperature critiche che possano essere la causa d’innesco di esplosione proprio a causa del superamento della soglia di sicurezza determinata dalla classe di temperatura, entro la quale il contenitore dovrà essere installato e operare in servizio continuativo.

Le custodie devono essere idonee per l’installazione in ambienti con pericolo di esplosione ('Ex d' con ingresso diretto o 'Ex de' con ingresso indiretto), quindi soggette a certificazione da parte di enti qualificati e riconosciuti in ambito internazionale.  Pertanto i dimensionamenti dovranno essere rispondenti a tutti i parametri definiti dalle normative di riferimento quali:

IEC 60079-0 o EN 60079-0 o CEI EN 60079-0: Atmosfere esplosive Parte 0: Apparecchiature – Prescrizioni generali.IEC 60079-1 o EN 60079-1 o CEI EN 60079-1: Atmosfere esplosive Parte 1: Apparecchiature protette mediante custodie a prova di esplosione “d”.IEC 60079-7 o EN 60079-7 o CEI EN 60079-7: Atmosfere esplosive Parte 7: Apparecchiature con modo di protezione a sicurezza aumentata “e”.IEC 60079-14 o EN 60079-14 o CEI EN 60079-14: Atmosfere esplosive Parte 14: Progettazione, scelta e installazione degli impianti elettrici.

Con pari importanza, ma finalizzate all’impiego degli equipaggiamenti da inserire all’interno e/o sopra coperchio dei contenitori, dovranno essere considerate anche le normative prettamente elettriche quali:IEC 60439-1 o EN 60439-1 o CEI EN 60439-1: Apparecchiature assiemate di protezione e manovra per bassa tensione (quadri BT) Parte 1: Regole generali.  attualmente in vigore sino a fine 2014, successivamente a tale data sarà sostituita con le nuove norme IEC 61439-1 o EN 61439-1 o CEI EN 61439-1).IEC 60439-3 o EN 60439-3 o CEI EN 60439-3: Apparecchiature assiemate di protezione e manovra per bassa tensione (quadri BT) Parte 3: Quadri di distribuzione (attualmente in vigore sino a fine 2014, successivamente a tale data sarà sostituita con le nuove norme IEC 61439-3 o EN 61439-3 o CEI EN 61439-3).

Dovranno essere considerate, ovviamente, anche tutte le normative specifiche di riferimento per gli equipaggiamenti che saranno da inserire nei contenitori con funzione di “Quadro”, quali interruttori automatici, morsettiere ecc…

I parametri fondamentali da considerare per tale dimensionamento sono:

  • Il potere di limitazione di corrente di interruttori automatici;
  • La sollecitazione termica accettabile dai conduttori e/o cavi.

Il potere di limitazione di corrente di un interruttore automatico magneto-termico, viene usualmente definito da curve di limitazione che si possono riassumere in:

Grafico 1

  • Corrente di corto circuito presunta (kA rms)
  • Energia specifica passante limitata (A2s)

Nel Grafico 1 sono riportate, per comodità di interpretazione, curve caratteristiche riconducibili ad interruttori automatici magneto-termici della serie Acti9 di Schneider Electric, nello specifico, interruttore della serie iC60N.Come si può notare, la retta indicata in rosso rappresenta l’energia “A2s” di una corrente di cortocircuito presunta di un mezzo periodo (10 ms), che indica l’energia che verrebbe dissipata in assenza di limitazione del dispositivo di protezione.

La sollecitazione termica accettabile dei conduttori e/o cavi, in funzione del loro isolamento e della loro composizione (rame o alluminio) e della loro sezione espressa in mmq, è un dato che deve essere raccolto dalla documentazione tecnica del costruttore dei conduttori e/o cavi (per cavo si intende una formazione multipla di conduttori racchiusi in un ulteriore elemento isolante). Ai fini di questo esempio, diamo di seguito una tabella tipo (estratta dalla Guida alla bassa tensione di Schneider Electric), dei vari conduttori e/o cavi in rame e alluminio, con isolamento in PVC (cloruro di polivinile), con relativa energia specifica passante in A2s:

Procediamo, quindi, al dimensionamento dei conduttori che saranno destinati a sostenere le correnti richieste, assumendo dati di input che il cliente dovrà comunicarci in sede di richiesta dimensionale.

Per questa ipotesi dimensionale, assumeremo che il cliente ci abbia fornito i seguenti dati di input:

  • Temperatura ambiente: 45°C
  • Classe di temperatura: T5
  • Potere di interruzione: 10 kA a 400VAC
  • Potenza totale installata e funzionante: 20 kW a 400VAC
  • Corrente nominale arrivo linea tripolare + neutro: 32A a 400VAC
  • Potenza nominale per singola partenza luce: 2 kW a 230VAC
  • Corrente nominale partenze luce, fase + neutro: ~ 9A a 230VAC (n° 10 partenze)
  • Tensione nominale: 400/230VAC ± 10%
  • Frequenza nominale: 50 Hz ± 5%
  • Sistema: TN-S, trifase + neutro
  • Protezione: PE separato dal neutro
  • Curva di intervento: C (carichi standard)
  • Grado di protezione meccanica: IP66
  • Coefficiente di contemporaneità: 1 (tutte le partenze funzioneranno in parallelo e a carico nominale di 2 kW, per un totale di 20 kW)

Sulla scorta di tali dati di input, passiamo alla prima fase del dimensionamento, selezionando gli interruttori idonei alla richiesta, ovvero:

  • Interruttore generale quadripolare, adatto per un carico totale di 20 kW a 400VAC, con curva caratteristica “C” per carichi standard.

Dove:I = corrente nominale in AmperP = Potenza in kW (20 kW)V = tensione in kV (0,4kV)Cosphì = si assume valore 0,9Si avrà quindi che I= 20/(1,73 . 0,4kV . 0,9) = 32A.

  • Interruttori di distribuzione, bipolari, adatti ciascuno per un carico unitario di 2 kW a 230VAC, con curva caratteristica “C” per carichi standard.

Dove:I = corrente nominale in AmperP = potenza in kW (2 kW)V = tensione in kV (0,23V)Sarà quindi:  I= 2/0,23 = 8,7A.

Secondo quanto contenuto nella tabella di declassamento in temperatura, (vedere catalogo Acti9 di Scheider Electric) ed in accordo alla norma CEI EN 60898-1), per l’interruttore generale a 400VAC, rispondente alle caratteristiche richieste dal cliente, adotteremo il tipo iC60N che ha un potere di interruzione (Icu) di 10kA a 400VAC.Sulla base di questo primo dimensionamento procederemo al suo declassamento in temperatura, sino a trovare la grandezza elettrica rispondente alle nostre necessità, (la corrente nominale di questa gamma di interruttori è riferita a 30°C).

  • 32A a 30°C, declassati a 45°C, danno 30,2A che declassati di un ulteriore 20% per installazione in ambiente a ventilazione impedita, darà 24,16A, quindi non rispondente alle nostre necessità.
  • 40A a 30°C, declassati a 45°C, danno 37,74A che declassati di un ulteriore 20% per installazione in ambiente a ventilazione impedita, darà 30,19A, quindi non rispondente alle nostre necessità.
  • 50A a 30°C, declassati a 45°C, danno 46,93A che declassati di un ulteriore 20% per installazione in ambiente a ventilazione impedita, darà 37,54A, quindi rispondente e ridondante alle nostre necessità.

Come risulta dal Grafico 2, la corrente di cortocircuito di 10kA rms potrebbe dissipare fino a 1000000A (K2s) ma, utilizzando un interruttore da 50A, tipo iC60N, come da curva caratteristica evidenziata nel grafico, si verrebbe a ridurre sensibilmente lo stress termico, portandolo a 60000A (A2s). La riduzione, sino a 16 volte inferiore determinerebbe un vantaggio notevole in termini di surriscaldamento dei conduttori.

Consideriamo ora di aver già effettuato la verifica della “Filiazione” monte/valle (tecnica di filiazione che sarà argomento di altra trattazione), e procediamo al dimensionamento degli interruttori di alimentazione circuiti luce a 230VAC:

  • 10 partenze per circuiti luce, con interruttori bipolari da 2 kW ciascuno, – 6kA, modello iC60a adatti per un carico unitario di 2 kW a 230VAC, con curva caratteristica “C” per carichi standard. Tali interruttori, secondo la tecnica della filiazione, pur avendo un potere di interruzione di 6kA a 230VAC, saranno coordinati per una Icu rinforzata di 10kA e, quindi, adatti alla richiesta del cliente (si rimanda a quanto riportato nella sezione “Filiazione” della Guida al  Sistema Bassa Tensione di Schneider Electric).

Con lo stesso criterio adottato per dimensionare l’interruttore generale, procederemo al loro declassamento in temperatura, sino a trovare la grandezza elettrica rispondente alle nostre necessità, considerando che questa gamma di interruttori da valore di corrente alla temperatura di riferimento di +30°C.

  • 10 A a +30°C, declassati a +45°C, danno 9,4 A che, declassati di un ulteriore 20%, per installazione in ambiente a ventilazione impedita, darà 7,52 A, quindi non rispondente alle nostre necessità.
  • 16 A a +30°C, declassati a +45°C, danno 15,09 A che, declassati di un ulteriore 20%, per installazione in ambiente a ventilazione impedita, darà 12,07 A, quindi rispondente e ridondante alle nostre necessità.

Quindi, secondo quanto sopra, selezioneremo un interruttore da 16A a +30°C funzionante a +45°C con una corrente corrispondente di ~13 A.

Ovviamente questo vuol dire che secondo tale declassamento, saranno installati interruttori bipolari da 16A nominali ma con massimo impiego di 13A alla temperatura prevista all’interno del contenitore.

Analogamente, facciamo un esempio indicativo del criterio dimensionale, ipotizzando di voler definire quale sarà l’energia limitata da un interruttore di questa serie, con corrente nominale di 16A per una corrente di cortocircuito presunta di 10kA rms.

Grafico 3

Come risulta dal Grafico 3, riferita ad interruttori  di distribuzione da 2 poli – 16A, serie iC60a, con potere di interruzione di 6kA (in filiazione 10kA), si può notare che il valore di tale energia specifica è di 24500A2s, per un tempo di 10 ms. I conduttori dovranno, quindi, essere dimensionati per poter sopportare tale energia specifica, senza deformazione e senza generare surriscaldamenti non conformi alla classe di temperatura richiesta dal cliente.

Detto tutto quanto sopra, passiamo ora al dimensionamento dei conduttori elettrici da installare all’interno del “Quadro”. Raffrontando ora la portata di corrente dei conduttori e/o cavi, in accordo alle norme IEC 60332-1 o IEC 60332-3C, dimensionati per una temperatura ambiente in aria libera pari a +30°C, per conduttori unipolari in rame, con isolamento in PVC e tensione Uo/U pari a 0,45/0,75kV, tipo H07Z1-K (estratto da catalogo cavi Prismian Group cavi e accessori edizione 2013), si avrà:

Quindi, sulla scorta di tali valori, si andrà a fare l’ulteriore allineamento in funzione della temperatura ambiente, della posa affiancata (conduttori sotto carico con contemporaneità 1) ed in funzione del coefficiente correttivo per installazione in ambiente a ventilazione impedita:

  • per posa affiancata di 10 sistemi sotto carico disposti su due livelli =  K 0,73;
  • per temperatura ambiente (interno quadro) di +45°C = K 0,71;
  • coefficiente di installazione in ambiente a ventilazione impedita = K 0,8;

portando la sommatoria di tali declassamenti al valore di Kt = ~ 0,415.

Avendo assunto una corrente nominale di 38 A, per i conduttori in arrivo linea e sistema di distribuzione (in alternativa al sistema di distribuzione con conduttori, si potrà utilizzare il sistema integrato a “Pettine”), la sezione ottimale risulta essere di 25mmq, con portata di corrente pari a 89 A a 30°C, ma declassata  con il valore di Kt 0,415, porta il suo valore a 36,94A, inferiore al valore nominale di 38°. Si opterà per scegliere la sezioni immediatamente superiore, ovvero 35 mmq, con portata di corrente pari a 110A a 30°C, che darà una portata di corrente, sempre con lo stesso declassamento, di 45,65A, idoneo per sezione ed anche per energia specifica passante che risulta a sua volta rispondente alla formula “ I2t ≤ K2S2”.

In cui per il valore “K” si assume 115, riferito a conduttori in rame con isolamento in PVC e “S”, sarà la sezione dei conduttori selezionati, ovvero 35mmq.

Quindi I2t (60000 A2s) dovrà essere inferiore a K2S2 (1152 x 352 = 16200625) e, come risulta, il valore di I2t è ampiamente al di sotto del valore di 60000 A2s.

Procediamo analogamente alla verifica della sezione dei conduttori a valle degli interruttori bipolari da 2 kW:

  • per posa affiancata di 10 sistemi sotto carico disposti su due livelli =  K 0,73;
  • per temperatura ambiente (interno quadro) di +45°C = K 0,71;
  • coefficiente di installazione in ambiente a ventilazione impedita = K 0,8;

portando la sommatoria di tali declassamenti al valore di Kt = ~ 0,415.

Avendo assunto una corrente nominale di 13A, la sezione ottimale risulta essere di 1,5mmq, con portata di corrente pari a 15,5A a 30°C, ma declassata  con il valore di Kt 0,415, porta la corrente al nuovo valore di 6,43A, non in grado di soddisfare il carico sotteso. Si selezionerà, quindi, un’altra grandezza idonea quale quella di 6mmq, con portata di corrente pari a 36A a 30°C, che darà una portata di corrente, sempre con lo stesso declassamento, di 14,94A, idoneo per sezione ed anche per energia specifica passante che risulta a sua volta rispondente alla formula “ I2t ≤ K2S2”.

Dove per il valore “K” si assume 115, riferito a conduttori in rame con isolamento in PVC e “S” sarà la sezione dei conduttori selezionati, ovvero 6mmq.

Quindi I2t (24500 A2s), dovrà essere inferiore a K2S2 (1152 x 62 =  476100) e, come risulta, il valore di I2t è ampiamente al di sotto del valore di 24500 A2s.

Concludiamo questa terza parte ribadendo che tutte le attività finalizzate al dimensionamento elettrico, sono appannaggio del costruttore dei Quadri in esecuzione a prova di esplosione e che sono di sua responsabilità le analisi, i calcoli e il conseguente progetto esecutivo, apponendo di fatto la targa attestante la conformità alle normative di riferimento.

Data pubblicazione: 01-07-2014

Argomento: Approfondimento