La progettazione del quadro si basa
sull’esecuzione di verifiche di conformità
delle caratteristiche del quadro
alla normativa di prodotto in argomento.
Come abbiamo già accennato
tali verifiche (articoli 3.9.2, 3.9.3 e
3.9.4 della norma) possono consistere
indifferentemente e in modo alternativo
fra loro in:
-prove (α);
-calcoli (β);
-regole di progetto (γ).
Tali criteri garantiscono un livello
minimo di sicurezza equivalente e, in
quanto applicabili, si riferiscono alle
seguenti caratteristiche prestazionali
del quadro:
1. robustezza dei materiali e parti del
quadro;
2. grado di protezione degli involucri;
3. distanze d’isolamento in aria e superficiali;
4. protezione contro la scossa elettrica
e integrità dei circuiti di protezione;
5. installazione degli apparecchi di
manovra e dei componenti;
6. circuiti elettrici interni e collegamenti;
7. terminali per conduttori esterni;
8. proprietà dielettriche;
9. limiti di sovratemperatura;
10. tenuta al cortocircuito;
11. compatibilità elettromagnetica
(Emc);
12. funzionamento meccanico.
La norma (tabella D1 dell’allegato D)
specifica quali delle suddette caratteristiche
sono verificabili mediante i
criteri che per comodità espositiva in
questo contesto sono indicati con: α,
β e γ.
Alcune, infatti, possono essere
verificate con tutti e tre i criteri suindicati,
altre invece possono essere verificate
solamente con prove e calcoli e
per altre ancora (è il caso ad esempio
dell’impatto meccanico) il riscontro è
possibile esclusivamente ricorrendo
a prove sul prototipo.
Le verifiche di
progetto più significative da effettuare
sono:
-le proprietà dielettriche;
-la tenuta al corto circuito;
-i limiti di sovratemperatura.
La verifica delle proprietà dielettriche
consiste nel controllo della tenuta degli
isolamenti (solido, e superficiale
dei supporti isolanti e in aria fra le parti
nude a diverso potenziale) rispetto
alle sovratensioni temporanee (verifica
della tensione nominale d’isolamento)
e alle sovratensioni transitorie (verifica
della tensione nominale di tenuta
ad impulso).
Mentre alla prova a frequenza
industriale non c’è alternativa,
in luogo di quella ad impulso può essere
invece effettuata la così detta conferma
delle regole di progetto, ossia la
verifica che le distanze d’isolamento
in aria siano almeno 1,5 volte i valori
specificati nella tabella 1 della norma.
Va peraltro detto che quest’ultima opzione
appare poco praticabile, essenzialmente
per ragioni dimensionabili
e quindi economiche.
La verifica del
rispetto delle distanze in aria e superficiali
fra le parti conduttrici a diverso
potenziale attiene oltre ai conduttori
attivi nudi (sistema di barre di figura 3
a) anche tutti gli altri circuiti e componenti
del quadro.
Distanze che non devono
essere compromesse neanche in
condizioni di esercizio anormali come
può accadere nel caso di un corto circuito.
La prova a frequenza industriale
consiste nell’applicazione di una tensione
sinusoidale (Ui), ad esempio 2,5
kV, con frequenza compresa fra 45 e
65 Hz (figura 3 b), mentre per la prova
ad impulso la forma d’onda è quella
normalizzata 1,2/50 μs (Uimp di figura
3 c), di valore stabilito dalla norma
in funzione della tensione nominale
d’isolamento dichiarata per ciascun
circuito del quadro.
Le verifiche inerenti la tenuta al corto
circuito e dei limiti di sovratemperatura sono entrambe eseguibili con criteri
sostitutivi delle prove di laboratorio,
nella fattispecie sicuramente le più
complesse e onerose fra quelle previste;
basti pensare che dall’esito delle
prove di corto circuito un certo numero
di quadri, anche a fronte di test validi,
possono presentare danneggiamenti
che pur non pregiudizievoli dal punto
di vista funzionale li rendono non commerciali.
La verifica di tenuta al corto
circuito è volta all’accertamento che
tutti i circuiti siano in grado di sopportare
le sollecitazioni dinamiche e termiche.
Se condotta mediante le regole
di progetto la verifica deve avvenire in
accordo con la lista di controllo di cui
alla tabella 13 della norma che contiene
dieci domande a cui si deve rispondere
affermativamente per avvalorare
che non ci sono scostamenti significativi
rispetto alla configurazione del
quadro provato.
Se invece si ricorre a
calcoli, il riferimento è costituito dalla
norma Cei 17-52 - Metodo per la determinazione
della tenuta al cortocircuito
delle apparecchiature assiemate non di
serie - che rimanda per il vero e proprio
procedimento analitico alla norma Cei
11-26 (d’applicazione piuttosto complessa),
nel presupposto, comunque,
che esista una prova reale eseguita su
un prototipo del quadro.
Le estrapolazioni
sono ritenute valide solamente
per valori di corrente minori di quelli
utilizzati per la prova di laboratorio.
Il
corto circuito di cui si parla è quello
provocato esternamente al quadro e
non quello dovuto all’arco interno i cui
effetti sono, come noto, assai più devastanti
nei confronti dell’ambiente e
soprattutto delle persone (ustioni, lesioni
causate da proiezione di materiali,
danni all’udito, inalazione di gas
tossici).
Non è richiesta la verifica al
corto circuito per i quadri all’ingresso
dei quali è installato un dispositivo
limitatore (interruttore o fusibile) in
grado di condizionare la corrente di corto circuito presunta a valori che
non superino 10 kA efficaci (corrente
di corto circuito condizionata, Icc) oppure
17 kA di corrente nominale ammissibile
di picco (Ipk).
Nel diagramma
di figura 4 è rappresentato il processo
decisionale circa il criterio da adottare
per la verifica della tenuta al corto
circuito in alternativa all’esecuzione
delle prove sul quadro, quando esista
un sistema di riferimento (prototipo)
realmente testato.
Dalla verifica dei
limiti di surriscaldamento o verifica
termica deve risultare che tutte le
sovratemperature presenti nelle varie
parti del quadro siano contenute entro
i limiti previsti.
Anche per quest’ultima
verifica sono ammessi, a determinate
condizioni, i tre criteri sopra enunciati.
Nel caso di ricorso alle prove le sovratemperature
misurate non devono essere
superiori a quelle ammesse nella tabella 6 della norma.
Sovratemperature
che sono riferite agli interruttori
e contattori, ai materiali isolanti, ai
terminali del quadro, agli organi di
manovra e superfici esterne, eccetera.
Indicativamente una volta fatta
circolare in ogni circuito del quadro
la relativa corrente nominale (eventualmente
tenendo conto del fattore
di contemporaneità) la prova termina
quando è raggiunto il regime termico
e dopo avere rilevato e registrato, con
adeguate apparecchiature (ad esempio
termocoppie), i valori di temperatura e
della potenza termica dissipata.
Qualora
si proceda con il calcolo sono previste due distinte metodologie.
Entrambe
prevedono la determinazione della
sovratemperatura dell’aria all’interno
dell’involucro e il conseguente confronto
con i limiti ammessi dalla norma per ogni dispositivo/componente,
appena elencato, installato nel quadro
oggetto di verifica.
Se si tratta di un
quadro con corrente nominale inferiore
a 630 A e singola cella, il calcolo prevede
il computo delle potenze dissipabili
nell’assetto previsto dal progetto.
In tal senso si sommano le potenze
dissipabili: dal ripartitore, dalla strumentazione,
dai collegamenti, dalla
morsettiera e dagli apparecchi, fornite
dai relativi costruttori.
A questo punto
si confronta la potenza dissipabile
prevista dal progetto con quella fornita
dal costruttore del quadro (involucro),
desumibile dal catalogo commerciale,
che è funzione delle sue caratteristiche
dimensionali, del grado di protezione
IP e del tipo d’installazione (a pavimento,
a parete, da incasso, eccetera).
Potenza dissipabile nominale alla quale
il costruttore fa corrispondere un determinato
valore di sovratemperatura
che s’instaura nella parte superiore del
quadro. Sommando a questa la temperatura
ambiente (in genere si
assume ≤ 35 °C) si perviene
alla temperatura assoluta del
quadro, al fine di pervenire al
confronto con la temperatura
massima ammessa per i componenti
utilizzati di cui alla
richiamata tabella 6.
Come si
può rilevare il procedimento
descritto è piuttosto semplice,
ma essendo suscettibile
d’introdurre notevoli approssimazioni
occorre mantenere,
nei confronti con le massime
temperature ammissibili per i componenti,
margini piuttosto conservativi.
Finalizzata essenzialmente alla realizzazione
della prova di sovratemperatura
è la conoscenza del fattore di nominale
contemporaneità (Rdf - Rated
Diversity Factor), inteso come rapporto
fra la somma delle correnti effettive
circolante nei circuiti principali e la
somma delle corrispondenti correnti
nominali. Partendo, infatti, dal presupposto
che ogni circuito deve portare
singolarmente a tempo indeterminato
la propria corrente nominale, ma che
è probabilisticamente possibile che
non tutti i circuiti siano contemporaneamente
percorsi dalla loro corrente
nominale, è utile considerare un fattore,
inferiore all’unità, che applicato alle
correnti nominali dei circuiti in uscita
determini le massime correnti con le
quali gli stessi possono essere caricati
simultaneamente ed in modo continuativo.
La dichiarazione del costruttore
del fattore di contemporaneità
non è obbligatoria.
In assenza d’indicazioni
il fattore di contemporaneità si
considera pari a 1.
Riportando un certo
valore di fattore di contemporaneità il
costruttore stabilisce il regime termico
permanente più gravoso per il quadro
per il quale lo stesso è stato provato e
quindi deve essere utilizzato.
Esso, in
assenza di conoscenze precise dei carichi,
può essere stimato in via convenzionale
ricorrendo alla tabella 101 della
norma che fornisce valori in funzione
del numero dei circuiti principali (0,9
fino a tre, 0,8 da quattro a cinque, 0,7
da sei a nove e 0,6 a partire da dieci
e oltre) in alternativa, rapportando la
corrente nominale del dispositivo protezione
posto in ingresso del quadro
con la somma delle correnti nominali
dei dispositivi a protezione dei circuiti
di uscita.
In quest’ultimo caso si assegna
il fattore di contemporaneità 1 al
circuito d’entrata e il valore risultante
dal suddetto rapporto ai circuiti in
uscita.
Nell’Allegato E della norma sono
riportati degli esempi di applicazione
del Rdf.
Qualora la corrente nominale
del quadro, a scomparto singolo o
multiplo, non superi 1600 A si applica
il metodo analitico previsto dalla norma Cei 17- 43 - Metodo per la determinazione
delle sovratemperature,
mediante estrapolazione, per le apparecchiature
assiemate di protezione e
di manovra per bassa tensione (quadri
BT) non di serie (ANS) - a condizione
che siano preliminarmente riscontrate
tutte le condizioni fissate dall’art.
10.104.3.1 della norma.
Anche questo
criterio consente di verificare i limiti
di sovratemperatura confrontando la
temperatura raggiunta dall’aria interna
del quadro con quella limite dei componenti
utilizzati.
In dettaglio si tratta
di calcolare la superficie effettiva
di raffreddamento dell’involucro (che
tiene conto del tipo d’installazione),
la sovratemperatura dell’aria interna a
metà dell’altezza dell’involucro di raffreddamento e la sovratemperatura
dell’aria interna nella parte superiore (punto di coordinate 1 e Δθ1).
I valori di Δθ dipendono dal numero
dei diaframmi interni, dall’effettiva
potenza dissipata e dalla presenza o
meno di aperture.
La retta passante per
i due punti aventi le predette coordinate
fornisce, a meno della temperatura
dell’ambiente, l’andamento della
sovratemperatura in funzione dell’altezza
dell’involucro.
Solitamente i dati
del calcolo vengono riassunti, in forma
ordinata, in un modulo ad hoc previsto
dalla norma Cei 17-43.
Il metodo
appena descritto è applicabile fino a
correnti nominali non superiori a 3150
A e a condizione che esista un prototipo
provato.
Diversamente si deve
necessariamente procedere mediante
le prove di laboratorio.
È pure possibile
verificare il quadro sotto l’aspetto
della sovratemperatura ricorrendo al
così detto criterio delle regole
di progetto (derivazione dei
valori nominali per varianti
similari - regole del paragrafo
10.10.3 della Norma) sempre
nel presupposto che esista un
prototipo provato.
In questo
caso la verifica, ossia il confronto
del quadro derivato
con quello provato, riguarda:
la configurazione (unità
funzionali dello stesso gruppo
di quelle provate?, stesso
involucro?, minori dimensioni?, minori segregazioni?; eccetera),
il sistema di barre in relazione al tipo
e alla sezione del materiale utilizzato,
le unità funzionali che possono essere
sostituite con altre di diversa serie
a condizione che potenza dissipata e
temperatura dei morsetti siano minori.
