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Timestamp: 2016-10-28 12:31:32+00:00
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⭐Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione
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1 Dicembre 2006 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 1SDC007103G09022 3 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione Indice Introduzione Il riscaldamento nei quadri elettrici 1.1 Generalità La portata in corrente Verifica delle sovratemperature mediante prova secondo la CEI EN Verifica delle sovratemperature mediante estrapolazione Consigli per migliorare la portata degli interruttori in quadro 2.1 Potenza dissipata all interno del quadro Conformazione struttura interna Tipologia di interruttore istallato Sezione dei conduttori interni al quadro Percorsi effettuati dalla corrente Smaltimento del calore prodotto all interno del quadro Ventilazione del quadro Problematiche relative al cortocircuito 3.1 Principali definizioni dei parametri che caratterizzano il quadro in condizioni di cortocircuito Prescrizioni generali ed informazioni sulla tenuta al cortocircuito Prescrizioni relative ai circuiti elettrici del quadro Sistemi di sbarre principali Sbarre e conduttori di distribuzione derivati dalle sbarre principali Riduzione delle possibilità e degli effetti del cortocircuito Distanze minime di ancoraggio dei conduttori Verifica della tenuta al cortocircuito e limitazione degli interruttori Problematiche relative alle distanze d installazione...46 Appendice A: Esempio di quadri elettrici realizzati con interruttori ABB Appendice B: Forme di segregazione Appendice C: Gradi di protezione IP Superfici laterali e posizionamento del quadro Le segregazioni del quadro Grado di protezione del quadro...17 Glossario Smaltimento del calore prodotto nei terminali Problematiche legate alla convezione Problematiche legate alla conduzione Portata interruttori e sbarre4 Introduzione 1 Introduzione Un quadro elettrico è costituito dall assieme di più apparecchiature 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 protezione 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 prodotto 1 relative a quadri e interruttori, rispettivamente la CEI EN e la CEI EN 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 riscaldamento nel quadro, alle indicazioni per migliorare la portata degli interruttori e alle problematiche che si generano in un quadro a causa del cortocircuito. 1 La norma di prodotto CEI EN 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 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. 2 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione5 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 determinarne 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 (ex Direttiva CEE 73/23), sono costruiti e sottoposti a prove secondo la norma di prodotto CEI EN (CEI 17-5) Apparecchiature a bassa tensione Parte 2: Interruttori automatici, identica alla norma internazionale IEC Low-voltage switchgear and controlgear Part 2: Circuit-breakers. Per quanto riguarda la verifica della portata in servizio continuativo, la norma CEI EN precisa le condizioni in cui deve essere effettuata la prova. Riportiamo qui sotto le più importanti: - la portata è verificata in aria libera la norma CEI EN 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 normalmente 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 interruttore - 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 temperature 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 generalmente 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 volontarie); - fornire un alloggiamento fisico agli interruttori che permetta una stabilità del posizionamento; - garantire un adeguata protezione contro la penetrazione di corpi solidi estranei e contro l ingresso di sostanze liquide. Questi involucri sono chiamati quadri elettrici e rispondono ad una specifica norma di prodotto, la CEI EN (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 Le condizioni d installazione all interno di un quadro elettrico sono però differenti rispetto alle condizioni standard previste dalla CEI EN , 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 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 36 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 segregazione elevata (figura 2) oppure quadri con ventilazione forzata o quadri climatizzati Fig.2 - il cablaggio degli interruttori è realizzato con conduttori di sezione e lunghezza stabiliti dal quadrista - 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 modalità di posizionamento del quadro nell ambiente fanno variare la quantità di calore scambiato verso l esterno e conseguentemente anche la temperatura dell aria all interno del quadro. A conclusione di queste considerazioni si vede come le condizioni che portano il costruttore a definire una portata ininterrotta nominale per il singolo interruttore sono fondamentalmente diverse dalle condizioni in cui l interruttore 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 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 installazione o delle diverse sezioni dei conduttori usati. Inoltre, anche la norma relativa agli interruttori di bassa tensione CEI EN , 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 Verifica delle sovratemperature mediante prova (secondo la CEI EN ) La norma quadri CEI EN non fa riferimento ai singoli 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 conduttori. 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 utilizzazione 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 maggior 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 qualsiasi, 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 corrente 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 4 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione7 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 condizioni 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. Fig.3 IG I1 A C B D E 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 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 valori 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 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 (aggiornamento dell appendice A1 del marzo 2005) che I2 I3 I4 I5 I6 I7 hanno validità quando la verifica della temperatura è condotta mediante prova secondo la prescrizione della norma stessa. Tabella 1 Parti di una apparecchiatura Componenti incorporati Per esempio apparecchi convenzionali di protezione e di manovra; sottoassiemi elettronici come ponti raddrizzatori e circuiti stampati; parti di equipaggiamento come regolatore, alimentatore stabilizzatore di potenza, amplificatore operazionale. Terminali per conduttori esterni isolati Sbarre e conduttori, contatti di innesto di parti asportabili o estraibili che si collegano alle sbarre Organi di comando manuale: Accessibili dopo apertura del quadro chiuso di metallo di materiale isolante Accessibili solo a quadro aperto di metallo di materiale isolante Sovratemperatura (valori o prescrizioni) In accordo con le relative prescrizioni delle norme di prodotto per i componenti singoli, o secondo le istruzioni del costruttore dei componenti, tenendo in considerazione la temperatura all interno del quadro. 70K Un quadro utilizzato o provato nelle condizioni di installazione può avere connessioni di tipo, natura e disposizione 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 sovratemperatura più basso. Limitata da: - resistenza meccanica del materiale conduttore; - possibili influenze sull apparecchiatura 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 sovratemperatura massima di 105K per sbarre e conduttori di rame nudi non deve essere superata per garantire la resistenza meccanica del materiale conduttore. 15K 25K 40K 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 1 Il riscaldamento nei quadri elettrici Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 58 1 Il riscaldamento nei quadri elettrici delle norme di prodotto. Risulta evidente però che l interruttore 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 sovratemperatura fornite nella norma CEI EN per l interruttore inteso come apparecchio singolo in aria libera. Tabella 2 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 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 componente 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. Tabella 3 Descrizione della parte Terminali per conduttori esterni isolati (CEI EN ) Terminali (per interruttore in quadro) Limite di sovratemperatura Limite di temperatura (partendo da T A = 35 C) 70K 105 C 85K 120 C Organi per la manovra manuale: Accessibili a quadro chiuso (CEI EN ) 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 Dalla tabella 2 si vede come per l interruttore in aria libera, sui terminali è ammessa una sovratemperatura ΔT=80K; quindi, prendendo come riferimento 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 temperatura 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 componenti incorporati (l interruttore è un componente del quadro), permette al costruttore di indicare per i terminali 6 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione Parti intese ad essere toccate ma non afferrate: (CEI EN ) metalliche 30K 65 C di materiale isolante 40K 75 C Parti accessibili che non necessitano di essere toccate durante le normali operazioni (CEI EN ) 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 Fig.5 Connessione con cavo isolato PVC Connessione con sbarra9 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 sovratemperature possa essere eseguita anche mediante estrapolazione con specifico rimando alle prescrizioni date nella norma CEI o IEC/TR 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). Il metodo proposto permette di determinare la sovratemperatura 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 dell 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. Per effettuare un analisi della sovratemperatura secondo 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 funzionare a quella temperatura o se devono essere sostituiti da componenti diversi. Ai fini di questa valutazione, per quanto riguarda gli interruttori, 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 precedenza, 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 è un metodo 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 tabelle 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 1 Il riscaldamento nei quadri elettrici 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, coperto su un lato...); - la presenza e le dimensioni delle aperture di ventilazione; - il numero di setti orizzontali. Per l analisi dei metodi di calcolo proposto si rimanda il lettore alla consultazione della norma stessa. Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 710 2 Consigli per migliorare la portata degli interruttori in quadro Per fornire una serie di indicazioni sui metodi da adottare per migliorare la portata degli interruttori in quadro è necessario, 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 Conduzione Convezione Interruttore Interruttore Calore Sbarre di connessione Calore Calore irraggiamento, come schematizzato in figura 7. Nei quadri con grado di protezione non troppo elevato, oppure con aperture di ventilazione, parte del calore viene scambiato attraverso una vera e propria circolazione di aria tra il quadro e l ambiente esterno. Fig.7 Aria esterna Aria interna Sbarre di connessione Irraggiamento Interruttore Sbarre di connessione Il quadro a sua volta scambia calore verso l ambiente esterno. Questo scambio avviene anch esso per conduzione (attraverso i cavi collegati al quadro), convezione ed Parete del quadro Tutti questi fenomeni di circolazione e scambio d aria interna ed esterna, unita alla struttura del quadro, influenzano 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 condizionare 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 quadro; - lo smaltimento del calore prodotto nei terminali. 8 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione11 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 Conformazione struttura interna Nei quadri spesso accade che il materiale utilizzato per realizzare la struttura e le segregazioni sia di tipo ferromagnetico 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. 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 Anche il fissaggio meccanico dei conduttori potrebbe generare questo inconveniente, è perciò importante impedire la formazione di spire chiuse inserendo ad esempio setti di separazione o ancoraggio in materiale amagnetico e/o isolante (vedere figura 9). Fig.9 Nessuna induzione Materiale ferromagnetico della segregazione Terminali Fig.8a Struttura portante in materiale amagnetico Induzione di corrente Sbarre 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 influenzare in maniera rilevante il riscaldamento. Isolatore Sbarre di un polo Per una valutazione delle perdite bisogna anche considerare la geometria della forma della segregazione: infatti, se una spira di materiale ferromagnetico circonda tutti e Tabella 4 n Fasi n Sbarre in parallelo per fase Sezione [mm] In [A] Materiale dell involucro (blindosbarre) Perdite nell involucro % delle perdite totali nei condotti sbarre x ferromagnetico 35% - 45% x ferromagnetico 55% - 65% x amagnetico (alluminio) 15% - 20% 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 protezione installato. Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 912 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 termomagnetici dissipano potenze superiori rispetto agli interruttori equipaggiati con sganciatori elettronici. In situazioni particolarmente gravose dal punto di vista termico è quindi consigliabile l utilizzo d interruttori in Tabella 5 Potenza dissipata totale (3/4 poli) esecuzione fissa ed equipaggiati con sganciatori di tipo elettronico. Non si considera differente la dissipazione di un interruttore in versione tripolare rispetto ad una versione tetrapolare, poiché in un normale circuito si ipotizza trascurabile la corrente che transita nel conduttore di neutro. 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 TMF TMD TMA MF MA PR PR PR ,9 105, ,9 351, F:fisso W:estraibile P:rimovibile Tabella 6 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= In= In= In= In= In= In= In= In= In= In= F:fisso W:estraibile P:rimovibile 10 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione13 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 compresa tra il 20% ed il 40% della potenza totale dissipata nel quadro. La norma CEI (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 Tabella 7: Corrente di funzionamento e potenze dissipate dei conduttori isolati Sezione (Cu) corrente di funzionamento 1) potenza dissipata all interno del quadro. Si ritiene inoltre utile far osservare come i cavi che entrano nel quadro dall esterno diano un contributo non trascurabile alla potenza dissipata, mentre spesso essi non sono considerati nel calcolo poiché non sono considerati 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. Temperatura massima ammessa del conduttore 70 C d d d d Temperatura dell aria intorno ai conduttori all interno dell involucro 35 C 55 C 35 C 55 C 35 C 55 C potenze dissipate 2) corrente di funzionamento potenze dissipate 2) corrente di funzionamneto potenze dissipate 2) mm 2 A W/m A W/m A W/m A W/m A W/m A W/m corrente di funzionamento potenze dissipate 2) corrente di funzionamento potenze dissipate 2) corrente di funzionamento potenze dissipate 2) Conduttori per i circuiti ausiliari mm 2 A W/m A W/m Diam ) 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 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 1114 Tabella 8: Corrente di funzionamento e potenze dissipate dalle sbarre nude, con disposizione verticale, senza connessioni dirette con l apparecchio Larghezza x Spessore Sezione (Cu) corrente di funzionamento Temperatura dell aria intorno ai conduttori all interno dell involucro: 35 C Temperatura massima ammessa del conduttore 85 C Temperatura dell aria intorno ai conduttori all interno dell involucro: 55 C 50 Hz 60 Hz c.a. c.c.; c.a. con 16 2/3 Hz 50 Hz 60 Hz c.a. c.c.; c.a. con 16 2/3 Hz potenze dissipate 1) corrente di funzionamento potenze dissipate 1) corrente di funzionamento potenze dissipate 1) corrente di funzionamento mm x mm mm 2 A* W/m A** W/m A* W/m A** W/m A* W/m A** W/m A* W/m A** W/m 12 x x 2 15 x x 2 20 x 3 20 x 5 20 x x x 5 30 x x 5 40 x x 5 50 x x 5 60 x x 5 80 x x x x *) un conduttore per fase **) due conduttori per fase 1) lunghezza singola Tabella 9: Corrente di funzionamento e potenze dissipate delle sbarre nude utilizzate come connessioni tra l apparecchio e le sbarre principali Larghezza x Spessore Sezione (Cu) Temperatura dell aria intorno ai conduttori all interno dell involucro: 35 C potenze dissipate 1) corrente di funzionamento potenze dissipate 1) corrente di funzionamento Temperatura massima ammessa del conduttore 65 C potenze dissipate 1) corrente di funzionamento potenze dissipate 1) corrente di funzionamento Temperatura dell aria intorno ai conduttori all interno dell involucro: 55 C 50 Hz 60 Hz c.a. e c.c. 50 Hz 60 Hz c.a. e c.c. potenze dissipate 1) corrente di funzionamento potenze dissipate 1) corrente di funzionamento potenze dissipate 1) corrente di funzionamento potenze dissipate 1) corrente di funzionamento potenze dissipate 1) mm x mm mm 2 A* W/m A** W/m A* W/m A** W/m 12 x x 2 15 x x 2 20 x 3 20 x 5 20 x x x 5 30 x x 5 40 x x 5 50 x , x 5 60 x x 5 80 x x x x *) un conduttore per fase **) due conduttori per fase 1) lunghezza singola 12 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione15 Esempio Lo scopo di questo esempio è valutare in prima approssimazione la potenza totale dissipata all interno del quadro di cui viene fornito in figura 10 il fronte quadro con la disposizione dei componenti, le dimensioni, la struttura, e il relativo schema unifilare. Fig.10 Fronte quadro I1 I2 I3 I4 I5 B C D E F A IG H P Schema unifilare IG Gli elementi che compongono il quadro sono gli interruttori, le sbarre e i cavi. Si procede valutando la potenza dissipata da ciascun componente per poi determinare la potenza complessiva dissipata. L Numero di partizioni orizzontali = 0 Involucro separato per montaggio a muro Dimensioni H L [mm] [mm] P [mm] I1 I2 I3 I4 I5 Interruttori Per gli interruttori la potenza dissipata può essere determinata sulla base della potenza dissipata Pn CB alla corrente nominale In CB (vedere precedenti tabelle 5 e 6) riferita alla corrente che effettivamente attraversa l interruttore Ib (corrente reale di carico del circuito). La formula che lega queste tre grandezze è la seguente: P CB = Pn CB x (Ib / In CB ) 2 Quindi, con riferimento alla tipologia di apparecchio presente nel quadro, il contributo in potenza dissipata dal singolo interruttore alla corrente di carico e poi la potenza totale dissipata sono riportati nella seguente tabella 10. Tabella 10 Interruttore In CB [A] Ib [A] Potenza dissipata [W] IG E EL I1 T5 400 EL I2 T5 400 EL I3 T5 400 EL I4 T3 250 TMD I5 T3 250 TMD Potenza totale dissipata dagli interruttori [W] 234 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 1316 Sbarre Per le sbarre principali, le sbarre di distribuzione e le barre di congiunzione che connettono gli interruttori la reale potenza dissipata può essere determinata partendo dalle potenze dissipate, alla corrente nominale e per unità di lunghezza, come riportato nelle precedenti tabelle 8 e 9. La formula da impiegare per riferire i dati in tabella alle caratteristiche (corrente di carico e lunghezza) delle sbarre presenti nel quadro è la seguente: P SB = Pn SB (Ib/In SB ) 2 x 3 x L SB Quindi, con riferimento alla tipologia, alla lunghezza L e alla corrente di carico delle sbarre presenti nel quadro, il contributo in potenza dissipata dal singolo tratto e poi la potenza totale dissipata sono riportati nella seguente tabella 11. Tabella 11 Barra di connessione Sezione nx[mm]x[mm] Lunghezza [m] Ib [A] Potenza dissipata [W] IG 2x60x I1 30x I2 30x I3 30x I4 20x I5 20x Potenza totale dissipata dalle barre di connessione [W] 68 Cavi Per i cavi, con riferimento alla precedenta tabella 7, può essere applicato lo stesso metodo utilizzato per le sbarre e il risultato a cui si giunge è riportato nella tabella 12. Tabella 12 Tabella 12 Cavo Sezione nx[mm 2 ] Lunghezza [m] Ib [A] Potenza dissipata [W] IG 4x I I I I I Potenza totale dissipata dai cavi [W] 332 La totale potenza dissipata all interno del quadro è quindi data dalla somma dei tre contributi in precedenza determinati, per cui P TQ = =784W Si osserva come, se non si tenesse in conto il contributo dei cavi (332W), la totale potenza dissipata sarebbe pari a 452W e si avrebbe quindi una stima della temperatura molto inferiore a quella reale. 14 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione17 2.1.4 Percorsi effettuati dalla corrente Il posizionamento degli apparecchi e dei conduttori può portare ad una differente potenza dissipata all interno del quadro. Buona regola è quella di cercare di posizionare gli interruttori, come indicato in figura 11, in modo da rendere più brevi possibili i percorsi delle correnti più elevate. In tal modo, contrariamente a quanto avviene in una installazione come in figura 11a, si riduce la potenza dissipata all interno del quadro e si hanno indubbi benefici dal punto di vista termico. Fig.11 Posizionamento consigliato: La corrente maggiore (500 A) fa il percorso più breve 50 A 50 A 100 A 300 A 500 A Nel caso di quadri con molte colonne è consigliabile, ove possibile, posizionare l interruttore generale nella colonna centrale o comunque in posizione baricentrica rispetto alla distribuzione dei carichi come rappresentato in figura 12; in questo modo, dividendo la corrente nei due rami del sistema sbarre del quadro, si ottiene - a parità di sezione - una notevole riduzione della potenza dissipata rispetto ad una configurazione con arrivo all estremità come in figura 12a, soluzione che implica circolazioni di correnti più elevate. Fig.12 Sbarre Cavi Soluzione meno gravosa dal punto di vista termico Fig.12a Sbarre 3200 A 2000 A 1200 A 3200 A 3200 A INGRESSO USCITA Fig.11a Posizionamento sconsigliato: La corrente maggiore (500 A) fa il percorso più lungo Cavi 500 A Soluzione più gravosa dal punto di vista termico 300 A 100 A 50 A 50 A INGRESSO USCITA Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 1518 2.2 Smaltimento del calore prodotto all interno del quadro Dopo aver analizzato le principali sorgenti di calore e le modalità per contenerne la produzione, si passa ora ad analizzare le modalità grazie alle quali il quadro può smaltire verso l esterno il calore prodotto. Molte di queste considerazioni derivano dalla norma CEI (IEC/TR 60890), che fornisce formule e tabelle nelle quali vengono messe in relazione caratteristiche costruttive e modalità di installazione al valore di temperatura che si genera nel quadro a parità di potenza dissipata. In particolare in questo capitolo saranno prese in considerazione la ventilazione del quadro, le superfici del quadro ed il loro posizionamento, le segregazioni del quadro, ed il grado di protezione del quadro Ventilazione del quadro Per aumentare il raffreddamento è importante che sia realizzata e mantenuta una buona circolazione dell aria all interno del quadro (vedere figura 13) che si ottiene ad esempio posizionando e dimensionando correttamente le eventuali aperture presenti. Per quanto riguarda il loro dimensionamento, la norma CEI (IEC/TR 60890) per il calcolo della sovratemperatura all interno del quadro richiede che, per gli involucri con aperture di ventilazione, la sezione delle aperture d uscita dell aria sia almeno 1.1 volte la sezione delle aperture di entrata. Questo requisito è motivato dal maggior volume dell aria calda (in uscita dal quadro) rispetto al volume dell aria fredda (in entrata nel quadro). In pratica, se non si segue questa prescrizione, non si sfrutta appieno la superficie d entrata dell aria nel quadro. Fig.13 Per quanto riguarda il posizionamento delle aperture di ventilazione queste devono essere poste in modo da creare il così detto effetto camino: un apertura sarà posizionata in basso nella parte frontale del quadro, l altra sarà posizionata in alto, nella parte posteriore, oppure sul tetto del quadro. È importante ricordare che eventuali altre aperture ad altezze intermedie potrebbero portare ad una riduzione dell effetto camino, si avrebbe cioè una diminuzione del tiraggio dell aria. Per non ostacolare il flusso dell aria è importante che anche gli apparecchi all interno del quadro siano posti in modo da non ostacolare in maniera eccessiva la circolazione dell aria, riducendone la sezione di passaggio. Nel caso d interruttori estraibili si deve porre attenzione a non ostruire i fori di ventilazione presenti nella parte fissa dell interruttore per non ostacolarne la ventilazione e il raffreddamento (figura 14). Fig Superfici laterali e posizionamento del quadro È necessario tenere presente che il quadro scambia calore con l esterno attraverso la sua superficie (pareti superiore, inferiore e laterali) e quindi, a parità di potenza dissipata dagli elementi interni, più grande sarà la superficie di scambio con l esterno e migliore sarà la condizione di scambio che dipende dalla modalità di installazione, maggiore sarà appunto il calore ceduto verso l esterno. Ad esempio, il quadro elettrico dovrebbe essere posizionato in modo da facilitare o comunque da limitare il meno possibile la naturale circolazione dell aria intorno alla propria superficie esterna migliorando così lo scambio di calore. La norma CEI (IEC/TR 60890) che, come detto in precedenza, propone un metodo per determinare la sovratemperatura dell aria all interno del quadro, non considera la reale superficie geometrica esterna del quadro, ma introduce il concetto di superfcie effettiva di raffreddamento Ae definita come la somma delle superfici individuali (superiore,anteriore, laterale,...) A 0 moltiplicate per il fattore di superficie b. Questo fattore tiene conto della dissipazione di calore delle superfici 16 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione19 individuali a seconda del tipo di installazione dell involucro, tiene cioè in considerazione la diversa capacità di smaltire calore a seconda della loro posizione e del fatto che siano più o meno libere. I valori indicati per il paramentro b in relazione alle tipologie di superficie sono indicati nella tabella 13. Ae = (A 0 x b) Tabella 13 Fattore di Tipo di installazione superficie b Superficie superiore esposta 1.4 Superficie superiore coperta, es. involucri ad incasso 0.7 Parti laterali esposte, es. parete anteriore, posteriore e pareti laterali 0.9 Parti laterali coperte, es. lato posteriore dell involucro per montaggi a parete 0.5 Parti laterali di involucri centrali 0.5 Non presa in Superficie di fondo considerazione Le segregazioni del quadro Per forma di segregazione si intende il tipo di suddivisione prevista per i vari circuiti all interno del quadro. La segregazione è realizzata mediante barriere o diaframmi metallici o isolanti Per un approfondimento sul significato delle varie forme di segregazione si rimanda al contenuto dell appendice B o alle indicazioni presenti nella norma CEI EN Come ovvio, le forme di segregazione elevate tendono a limitare la circolazione dell aria all interno del quadro con relativa influenza sulla temperatura che si stabilisce all interno del quadro. Per tenere in considerazione questo fenomeno, nelle tabelle 14 e 15, si forniscono i valori del coefficiente d che la norma CEI suggerisce di utilizzare in particolari condizioni per incrementare la sovratemperatura dell aria all interno del quadro in funzione del numero di partizioni orizzontali della colonna in esame. Tabella 14: Per quadri senza apertura di ventilazione, con superficie effettiva di raffreddamento >1.25m 2 Numero di partizioni orizzontali n Fattore d Tabella 15: Per quadri con apertura di ventilazione, con superficie effettiva di raffreddamento >1.25m 2 Numero di partizioni orizzontali n Fattore d Dalle tabelle si osserva come le partizioni orizzontali possano comportare aumenti della temperatura dell aria anche dell ordine del 30% (3 partizioni senza aperture di ventilazione) Grado di protezione del quadro Ricordiamo che il grado di protezione IP indica il livello di protezione dell involucro contro l accesso a parti pericolose, contro la penetrazione di corpi solidi estranei e contro l ingresso di acqua. Il codice IP è il sistema di identificazione dei gradi di protezione in base alle prescrizioni della norma CEI EN Il grado di protezione di un quadro ne influenza la capacità di smaltire il calore: più il grado di protezione è elevato tanto meno il quadro riesce a smaltire calore. Per questa ragione è sconsigliabile utilizzare gradi di protezione elevati quando non risultano necessari. Si deve inoltre tenere ben presente che un determinato grado di protezione può essere raggiunto con diverse modalità. Per esempio la protezione verso la caduta verticale di acqua (IPX1) si può realizzare con modalità tali da non inficiare lo smaltimento di calore e riuscendo a mantenere un effetto camino all interno del quadro. 2.3 Smaltimento del calore prodotto nei terminali Dopo aver analizzato le principali sorgenti di potenza interne al quadro e le modalità di smaltimento del calore, analizziamo come sia possibile migliorare la portata degli interruttori dando indicazioni su come ridurre il riscaldamento localizzato vicino ai terminali. È frequente nella pratica, quando non si sia ottimizzato lo smaltimento del calore prodotto, rilevare dei riscaldamenti localizzati che limitano la massima corrente di impiego del circuito, anche se le temperature medie dell aria interna al quadro non sono elevate. I fenomeni che interessano lo smaltimento del calore da parte dei terminali degli interruttori sono principalmente la convezione (attraverso l aria in movimento nel quadro) e la conduzione (attraverso le barre collegate ai terminali); tali fenomeni sono da mettere in relazione alla tipologia di terminali utilizzati e all esecuzione (fissa, estraibile o rimovibile) dell interruttore installato Problematiche legate alla convezione Come principio generale legato al fenomeno della convezione basato sul moto convettivo dell aria che scaldandosi tende a salire verso l alto, la struttura delle sbarre dovrebbe essere tale da opporre la minima sezione al flusso d aria e da essere lambita dal flusso stesso sulla massima superficie, si dovrebbe quindi realizzare una struttura tipicamente definita a pettine. La tipologia d interruttore che meglio si adatta a realizzare questa configurazione è quella che prevede l utilizzo di terminali posteriori verticali. Forniamo ora a titolo d esempio alcune considerazioni di Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 1720 carattere pratico legate all utilizzo e alle modalità di installazione dei terminali posteriori verticali per interruttori Emax. L utilizzo di questi terminali permette di ottenere un miglior smaltimento del calore poiché, rispetto a quelli orizzontali, oppongono una sezione minore al moto naturale dell aria e una superficie di scambio termico maggiore. Tuttavia uno dei problemi principali che si riscontrano nell utilizzo dei terminali verticali è costituito dalla loro laboriosa connessione con il sistema di sbarre principali posizionate verticalmente nella loro distribuzione longitudinale lungo il quadro. Questo problema non si pone con lo stesso sistema di sbarre principali quando i terminali dell interruttore sono orizzontali, infatti sbarre e terminali sono entrambi orientati secondo due piani di semplice raccordo. Il concetto risulta più chiaro con riferimento alla figura 15. Fig.15 Interruttore con terminali orizzontali e sbarre principali verticali Barre di congiunzione Sbarre principali con distribuzione longitudinale poste verticalmente Interruttore con terminali orizzontali Particolare della barra di congiunzione orizzontale con flusso d aria Ad esempio, nel caso di interruttori E4 ed E6, per facilitare la connessione tra terminali verticali e le barre di congiunzione verticali, è possibile eseguire una connessione tramite sbarre opportunamente piegate come mostrato in figura 16. Fig.16 Terminali verticali per Emax E4 - E6 (particolare di 1 polo) Emax E6 Barre di congiunzione alle sbarre principali Interruttore con terminali verticali e sbarre principali verticali Sbarre principali con distribuzione longitudinale poste verticalmente Vista dall alto Barre opportunamente piegate Barre di congiunzione alle sbarre principali Barre di congiunzione Particolare della barra di congiunzione verticale con flusso d aria Terminali verticali Barre opportunamente piegate Interruttore con terminali verticali 18 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione21 Riportiamo in figura 17, ad ulteriore titolo di esempio, altre due tavole che mostrano una ipotetica soluzione per il collegamento dei terminali verticali alle barre di congiunzione verticali relativamente ad interruttori Emax E3. Fig.17 Sbarre Sbarre Barre di congiunzione Terminale Barre di congiunzione Terminale Ad esempio, come si vede nella figura 18 i terminali inferiori non dovranno deviare eccessivamente il flusso d aria impedendo che questo vada ad investire i terminali superiori e facendo così perdere i benefici effetti del raffreddamento per convezione. Fig.18 Connessione inferiore con terminali posteriori orizzontali. La circolazione dell aria, in prossimità dei terminali superiori (verticali) è limitata. Sbarre Barre di congiunzione Connessione inferiore con terminali anteriori. La circolazione dell aria, in prossimità dei terminali superiori (verticali) è solo parzialmente ridotta. Terminale Quando invece si è in presenza di terminali superiori di tipo verticale ed inferiori di altro tipo, o comunque di terminali superiori e inferiori diversi, si devono adottare soluzioni che non limitano la circolazione dell aria nei terminali superiori. A livello generale, per migliorare la condizione del riscaldamento delle sbarre e dei terminali dell interruttore, il posizionamento delle sbarre assume una notevole importanza; di seguito forniamo un esempio di alcune soluzioni che possono essere adottate. Si deve tenere in considerazione che, più le sbarre sono distanti tra loro, più smaltiscono calore e che il terminale centrale superiore è solitamente quello con maggiori problemi dal punto di vista termico. Pertanto è buona norma cercare di separare e allontanare il più possibile le sbarre di congiunzione per non aggravare la situazione legata al riscaldamento. Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 1922 Ad esempio, come mostrato nella figura 19, nel caso d interruttori tripolari, è possibile disallineare le connessioni esterne rispetto ai terminali in modo da aumentarne la distanza. Fig.19 Nel caso di connessione dell interruttore con sistemi di sbarre con le tre fasi disposte verticalmente, è consigliabile iniziare il più vicino possibile all interruttore il distanziamento delle 3 fasi, con una soluzione come quella rappresentata in figura 20. Fig.20 Sbarre principali Barre di congiunzione Come già detto, sono solamente i terminali superiori e particolarmente il centrale che, per la propria posizione, raggiungono le temperature più elevate. Si possono quindi prendere particolari accorgimenti al fine di migliorare lo scambio di calore di questi terminali, per esempio allungando maggiormente la parte orizzontale delle sbarre di congiunzione superiori rispetto alle inferiori come mostrato in figura 21. Fig.21 Barre di congiunzione Sbarre principali Vista dall alto Ulteriori incrementi della portata dei circuiti possono essere realizzati installando sui conduttori di connessione, tra interruttore e sistema sbarre, degli elementi dissipatori (vedere figura 22) che permettono un migliore smaltimento del calore, oppure verniciando le sbarre e gli eventuali dissipatori con speciali vernici che permettano un aumento del calore irraggiato senza creare per contro un isolamento termico superficiale. Fig Problematiche legate alla conduzione Con riferimento invece allo scambio termico attraverso il fenomeno della conduzione, i terminali di un interruttore scambiano calore anche verso le sbarre o i cavi ad essi collegati. In particolar modo le sbarre di congiunzione, oltre a portare la corrente elettrica, trasportano il calore lontano dai terminali degli interruttori. Il loro dimensionamento e la loro disposizione deve quindi tener conto di questa duplice funzione. Il calore scambiato attraverso la conduzione aumenta sia al crescere della sezione attraverso la quale viene scambiato il calore (sezione di contatto tra i cavi o le barre di connessione e i terminali dell interruttore) che all aumentare della differenza di temperatura tra i corpi a contatto interessati dallo scambio. Da quest ultimo punto risulta evidente che i conduttori di congiunzione devono, a loro volta, smaltire efficacemente il calore per mantenere bassa la propria temperatura. Al fine di ottenere una connessione che permetta uno scambio di calore adeguato tra i terminali e il sistema di distribuzione del quadro, ABB SACE fornisce l indicazione della sezione minima dei cavi e delle sbarre che devono essere utilizzate. 20 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione23 Di seguito riportiamo in tabella 16 le indicazioni per interruttori scatolati serie Tmax e in tabella 17 le indicazioni per interruttori aperti serie Emax. Tabella 16 Tipo interruttore In Cavi Barre Tmax [A] [ n // ] x [ mm 2 ] [ n // ] x [ mm x mm ] T2 <=8 1 T2-T4 10 1,5 T1-T2 16 2,5 T1-T2-T4 20 2,5 T1-T2-T T1-T2-T T1-T2-T T1-T2-T T1-T2-T3-T T1-T2-T3-T T1-T2-T3-T T1-T2-T3-T T1-T2-T3-T La sezione dei cavi e delle sbarre riportate in queste tabelle 16 e 17 sono quelle impiegate per determinare la portata nominale in aria degli interruttori libera secondo la CEI EN T3-T x5 T3-T x5 T4-T x5 T x5 T x150 2x30x5 T5-T x185 2x40x5 T x240 2x50x5 T6-T x240 2x60x5 T x240 2x80x5 T x240 2x100x5 Tabella 17 Interruttore Terminali verticali Terminali orizzontali e anteriori Emax [ n // ] x [ mm x mm ] [ n // ]x[ mm x mm ] E1B/N 08 1x(60x10) 1x(60x10) E1B/N 12 1x(80x10) 2x(60x8) E2B/N 12 1x(60x10) 1x(60x10) E2B/N 16 2x(60x10) 2x(60x10) E2B/N 20 3x(60x10) 3x(60x10) E2L 12 1x(60x10) 1x(60x10) E2L 16 2x(60x10) 2x(60x10) E3S/H 12 1x(60x10) 1x(60x10) E3S/H 16 1x(100x10) 1x(100x10) E3S/H 20 2x(100x10) 2x(100x10) E3N/S/H 25 2x(100x10) 2x(100x10) E3N/S/H 32 3x(100x10) 3x(100x10) E3L20 2x(100x10) 2x(100x10) E3L 25 2x(100x10) 2x(100x10) E4H 32 3x(100x10) 3x(100x10) E4S/H 40 4x(100x10) 6x(60x10) E6V 32 3x(100x10) 3x(100x10) E6V 40 4x(100x10) 4x(100x10) E6H/V 50 6x(100x10) 6x(100x10) E6H/V 63 7x(100x10) Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 2124 2.3.3 Portata interruttori e sbarre A conclusione di questo capitolo riportiamo nella figura 23 le curve relative alla portata degli interruttori scatolati Tmax equipaggiabili con relè elettronico, riferite alle diverse temperature, alle diverse tipologie di terminali e di esecuzioni disponibili; mentre nelle tabelle 18 riportiamo Fig.23 T2 160 Fisso Nota: nell esecuzione rimovibile la massima taratura è declassata del 10%. T2 160 Rimovibile F = Anteriori piatto FC Cu = Anteriori per cavi in rame i valori della portata in corrente degli interruttori scatolati Tmax equipaggiabili con relè termomagnetico. Per gli interruttori aperti serie Emax nella tabella 19 riportiamo i valori della portata in corrente alle varie temperature per il singolo apparecchio (si intende in aria libera) con terminali posteriori verticali. EF = Anteriori prolungati FC CuAl = Anteriori per cavi in rame o alluminio ES = Anteriori r prolungati divaricati R = Posteriori orientabili F = Anteriori piatto FC Cu = Anteriori per cavi in rame EF = Anteriori prolungati FC CuAl = Anteriori per cavi in rame o alluminio ES = Anteriori prolungati divaricati R = Posteriori orientabili Nota: nell esecuzione rimovibile la massima taratura è declassata del 10%. 22 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione25 T4 250 Fisso T4 250 Rimovibile / Estraibile Iu [A] T [ C] Iu [A] FC = Anteriori in cavo VR = Posteriori verticali F = Anteriori in piatto HR-F-FC HR = Posteriori orizzontali VR VR HR-F-FC T [ C] FC = Anteriori in cavo VR = Posteriori verticali F = Anteriori in piatto HR = Posteriori orizzontali Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 2326 T4 320 Fisso Iu [A] T [ C] FC = Anteriori in cavo VR = Posteriori verticali F = Anteriori in piatto VR HR-F-FC HR = Posteriori orizzontali T4 320 Rimovibile / Estraibile Iu [A] VR FC-HR-F T [ C] FC = Anteriori in cavo VR = Posteriori verticali F = Anteriori in piatto HR = Posteriori orizzontali 24 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione27 T5 400 Fisso Iu [A] HR-FC-F T [ C] FC = Anteriori in cavo VR = Posteriori verticali F = Anteriori in piatto HR = Posteriori orizzontali VR T5 400 Rimovibile / Estraibile Iu [A] VR HR-FC-F T [ C] FC = Anteriori in cavo VR = Posteriori verticali F = Anteriori in piatto HR = Posteriori orizzontali Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 2528 T5 630 Fisso Iu [A] FC = Anteriori in cavo VR = Posteriori verticali HR-FC-F T [ C] F = Anteriori in piatto VR HR = Posteriori orizzontali T5 630 Rimovibile / Estraibile Iu [A] VR 500 EF-HR T [ C] EF = Anteriori prolungati HR = Posteriori in piatto orizzontali VR = Anteriori in piatto verticali 26 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione29 T6 630 Fisso 4 T6 630 Rimovibile R(HR) R(VR) F = Anteriori in piatto FC = Anteriori in cavo R(VR) = Posteriori (verticali) R(HR) = Posteriori (orizzontali) F-FC VR EF-HR EF = Anteriori prolungati HR = Posteriori in piatto orizzontali VR = Posteriori in piatto verticali Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 2730 T6 800 Fisso T6 800 Estraibile 4 R(HR) R(VR) F = Anteriori in piatto FC = Anteriori in cavo R(VR) = Posteriori (verticali) R(HR) = Posteriori (orizzontali) F-FC VR EF-HR EF = Anteriori prolungati HR = Posteriori in piatto orizzontali VR = Posteriori in piatto verticali 28 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione31 T Fisso R(VR) 900 FC ES R (HR) FC = Anteriori in cavo R(HR) = Posteriori (orizzontali) R(VR) = Posteriori (verticali) ES = Anteriori prolungati divaricati Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 2932 T7 V 1000 Fisso VR EF-HR EF = Anteriori prolungati VR = Posteriori in piatto verticali HR = Posteriori in piatto orizzontali Nota: Per valori al di sotto di 1000 A, Tmax T7 non subisce nessun declassamento termico. T7 V 1000 Estraibile VR EF-HR r EF = Anteriori prolungati VR = Posteriori in piatto verticali HR = Posteriori in piatto orizzontali 30 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione33 T7 S,H,L, 1250 Fisso VR EF-HR EF = Anteriori prolungati VR = Posteriori in piatto verticali HR = Posteriori in piatto orizzontali T7 V 1250 Fisso VR EF-HR EF = Anteriori prolungati VR = Posteriori in piatto verticali HR = Posteriori in piatto orizzontali Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 3134 T7 S,H,L, 1250 Estraibile VR 1100 EF-HR EF = Anteriori prolungati VR = Posteriori in piatto verticali HR = Posteriori in piatto orizzontali T7 V 1250 Estraibile VR EF-HR EF = Anteriori prolungati VR = Posteriori in piatto verticali HR = Posteriori in piatto orizzontali 32 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione35 T7 S,H,L, 1600 Fisso VR EF-HR EF = Anteriori prolungati VR = Posteriori in piatto verticali HR = Posteriori in piatto orizzontali T7 S,H,L, 1600 Estraibile VR EF-HR EF = Anteriori prolungati VR = Posteriori in piatto verticali HR = Posteriori in piatto orizzontali Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 3336 Tabella 18 Tmax T1 e T1 1P (*) In [A] 10 C 20 C 30 C 40 C 50 C 60 C 70 C MIN MAX MIN MAX MIN MAX MIN MAX MIN MAX MIN MAX MIN MAX (*) Per l interruttore T1 1P (provvisto di sganciatore termomagnetico fisso TM) considerare la sola colonna corrispondente alla regolazione massima degli sganciatori TMD. Tmax T2 In [A] 10 C 20 C 30 C 40 C 50 C 60 C 70 C MIN MAX MIN MAX MIN MAX MIN MAX MIN MAX MIN MAX MIN MAX 1,6 1,3 1,8 1,2 1,8 1,2 1,7 1,1 1,6 1 1,5 1 1,4 0,9 1,3 2 1,6 2,3 1,5 2,2 1,5 2,1 1,4 2 1,3 1,9 1,2 1,7 1,1 1,6 2,5 2 2,9 1,9 2,8 1,8 2,6 1,8 2,5 1,6 2,3 1,5 2,2 1,4 2 3,2 2,6 3,7 2,5 3,5 2,4 3,4 2,2 3,2 2,1 3 1,9 2,8 1,8 2,6 4 3,2 4,6 3,1 4,4 2,9 4,2 2,8 4 2,6 3,7 2,4 3,5 2,3 3, ,7 3,9 5,5 3,7 5,3 3,5 5 3,3 4,7 3 4,3 2,8 4 6,3 5,1 7,2 4,9 6,9 4,6 6,6 4,4 6,3 4,1 5,9 3,8 5,5 3,6 5,1 8 6,4 9,2 6,2 8,8 5,9 8,4 5,6 8 5,2 7,5 4,9 7 4,5 6, ,5 7,7 11 7,4 10, ,5 9,3 6,1 8,7 5,6 8,1 12,5 10,1 14,4 9,6 13,8 9,2 13,2 8,8 12,5 8,2 11,7 7,6 10,9 7,1 10, * * Per interruttori in versione rimovibile considerare un declassamento del 10%. Tmax T3 10 C 20 C 30 C 40 C 50 C 60 C 70 C In [A] MIN MAX MIN MAX MIN MAX MIN MAX MIN MAX MIN MAX MIN MAX * * Per interruttori in versione rimovibile considerare un declassamento del 10%. 34 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione37 Tmax T4 10 C 20 C 30 C 40 C 50 C 60 C 70 C In [A] MIN MAX MIN MAX MIN MAX MIN MAX MIN MAX MIN MAX MIN MAX Tmax T5 10 C 20 C 30 C 40 C 50 C 60 C 70 C In [A] MIN MAX MIN MAX MIN MAX MIN MAX MIN MAX MIN MAX MIN MAX Tmax T6 10 C 20 C 30 C 40 C 50 C 60 C 70 C In [A] MIN MAX MIN MAX MIN MAX MIN MAX MIN MAX MIN MAX MIN MAX Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 3538 Tabella 19 Estraibile X1 - posteriori orizzontali Temperatura [ C] X1 630 X X X X % [A] % [A] % [A] % [A] % [A] Estraibile X1 - posteriori verticali Temperatura [ C] X1 630 X X X X % [A] % [A] % [A] % [A] % [A] SACE Emax E1 Temperatura [ C] E1 800 E E E % [A] % [A] % [A] % [A] Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione39 SACE Emax E2 Temperatura [ C] E2 800 E E E E % [A] % [A] % [A] % [A] % [A] SACE Emax E3 Temperatura [ C] E3 800 E E E E E E % [A] % [A] % [A] % [A] % [A] % [A] % [A] SACE Emax E4 Temperatura [ C] E E % [A] % [A] SACE Emax E6 Temperatura [ C] E E E E % [A] % [A] % [A] % [A] Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 3740 Per gli interruttori scatolati di piccole dimensioni non vi è apprezzabile differenza fra le diverse tipologie di terminali, mentre per interruttori scatolati di dimensioni maggiori (a partire dal T4) sono generalmente da preferire i terminali posteriori verticali rispetto alle altre tipologie di terminali, considerando l interruttore installato in posizione verticale. In generale comunque si vede come sia da preferire la versione fissa rispetto alla versione estraibile e a quella rimovibile. Se l interruttore fosse installato in posizione orizzontale per determinare la portata in corrente, si deve fare riferimento alla curva più bassa riportata nei grafici. Per gli interruttori aperti serie Emax, il comportamento dei terminali posteriori orizzontali e dei terminali anteriori Tabella 20 Larghezza x Spessore Portata in A corrente alternata fino a 60Hz per sbarre di rame nude è simile. Maggiore è sicuramente la capacità di smaltimento del calore dei terminali posteriori verticali. Analogamente, a titolo esemplificativo, riportiamo nella tabella 20 le diverse portate fornite dalla norma DIN per sbarre di rame a sezione rettangolare istallate in ambiente interno, dove si ipotizza che il coefficiente di irraggiamento sia pari a 0.4 per le sbarre non verniciate e 0.9 per le sbarre verniciate. Come si può osservare dalla tabella, a pari condizioni di sistema di sbarre utilizzato, passando da barre nude a barre verniciate si ha un incremento di portata che può raggiungere il 15%. Portata in A fino a 60Hz per sbarre di rame verniciate [mm] x [mm] I II III II II* I II III II II* 50 x x x x x x x x Condizione di validità della tabella : temperatura ambiente 35 C, temperatura delle barre 65 C,conduttori con dimensione maggiore in verticale, distanza tra i conduttori in parallelo pari allo spessore. *La distanza minima tra le sbarre centrali è 50mm 38 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione41 3 Problematiche relative al cortocircuito In questo capitolo si analizzano le problematiche relative al cortocircuito riferite all interazione tra l interruttore di protezione presente nel quadro e il quadro stesso. Dopo una breve introduzione che definisce i principali parametri elettrici relativi al cortocircuito, si passerà ad analizzare le prescrizioni relative ai circuiti elettrici del quadro e alle modalità per ridurre le possibilità che si verifichi un cortocircuito nei circuiti interni del quadro e per ridurne gli effetti. 3.1 Principali definizioni dei parametri che caratterizzano il quadro in condizioni di cortocircuito Per quanto riguarda la tenuta al cortocircuito di un quadro, i principali parametri che caratterizzano un quadro sono costituiti dalla: - corrente nominale di breve durata; - corrente nominale di picco; - corrente nominale di cortocircuito condizionata. I valori normalizzati per il fattore di moltiplicazione n sono riportati nella tabella 21 Tabella 21 Valori normalizzati per fattore n Valore efficace della corrente di cortocircuito ka Coj n I < I < I < I < I Corrente nominale di cortocircuito condizionata Icc La corrente nominale di cortocircuito condizionata che caratterizza un circuito di un quadro è il valore della corrente presunta di cortocircuito, fissata dal costruttore e riferita alla presenza di un apparecchio di protezione, anch esso indicato dal costruttore, che il circuito può sopportare in modo soddisfacente durante il tempo di funzionamento dell apparecchio nelle condizioni di prova specificate. 3 Problematiche relative al cortocircuito La norma CEI EN relativa ai quadri elettrici di bassa tensione ne fornisce la definizione nel seguente modo: Corrente nominale di breve durata Icw La corrente nominale ammissibile di breve durata di un circuito di un quadro è un valore di corrente espresso come valore efficace simmetrico della corrente di cortocircuito ed è assegnato dal costruttore a un determinato circuito, che deve essere in grado di sopportarlo per un certo tempo senza danneggiarsi nelle condizioni di prova specificate dalla norma stessa. Salvo diversa indicazione del costruttore, la durata alla quale si fa riferimento è di 1s. A questa corrente di breve durata viene associato anche un determinato valore di picco I pk e si suppone che il massimo valore di corrente che si possa verificare e che il quadro possa sopportare non superi il picco legato al valore di Icw attraverso un coefficiente di relazione n. Corrente nominale di picco I pk La corrente nominale di picco di un circuito di un quadro è il valore del picco di corrente, assegnata dal costruttore a tale circuito, che esso deve essere in grado di sopportare in modo soddisfacente secondo le modalità di prova indicate nella norma. Il valore di picco della corrente, che serve per definire gli sforzi elettrodinamici, si ottiene moltiplicando la corrente di breve durata per il fattore n. Con riferimento a queste definizioni possiamo dire che il circuito di un quadro dichiarato per un determinato valore di Icw è in grado di sopportare gli sforzi elettrodinamici dovuti al picco iniziale che può avere un valore massimo pari a Icw x n e un energia termica specifica dovuta alla corrente che si può ritenere pari a Icw 2 x t (con t = 1s). Il circuito di un quadro protetto da un dispositivo di protezione, invece, ha un valore di corrente nominale di cortocircuito condizionata se è in grado di sopportare gli sforzi elettrodinamici dovuti al picco limitato dal dispositivo di protezione e un energia termica specifica lasciata passare dal dispositivo di protezione in corrispondenza del valore di corrente di cortocircuito presunta Ik Prescrizioni generali ed informazioni sulla tenuta al cortocircuito Per quanto riguarda la tenuta del quadro al cortocircuito, la norma CEI EN fornisce indicazioni secondo le quali l utilizzatore del quadro deve fornire al costruttore i dati relativi alle correnti di cortocircuito nel punto d installazione in modo che il quadro sia protetto dal cortocircuito mediante apparecchi di protezione - per esempio tramite interruttori automatici all interno del quadro stesso oppure all esterno - e che sia costruito quindi per resistere alle sollecitazioni termiche e dinamiche che si possono verificare durante un cortocircuito. Le indicazioni circa la tenuta al cortocircuito del quadro sono fornite dal quadrista in modo differente in relazione alla presenza o meno del dispositivo di protezione. Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 3942 3 Problematiche relative al cortocircuito Se è presente un interruttore automatico all ingresso del quadro viene indicato il massimo valore ammissibile della corrente di cortocircuito espresso come: - corrente di cortocircuito condizionata Icc quando il dispositivo di protezione è un interruttore con spiccate caratteristiche di limitazione; - corrente ammissibile di breve durata Icw quando il dispositivo di protezione è un interruttore con un elevato valore di Icw. Se non è presente un interruttore automatico all ingresso del quadro il quadrista può indicare: - una corrente di cortocircuito condizionata del quadro (Icc) specificando le caratteristiche del dispositivo esterno che protegge il quadro (corrente nominale, potere di interruzione, corrente limitata, energia specifica lasciata passare); - una corrente ammissibile di breve durata (Icw). Se non è specificata la durata della corrente è sottointeso che questa sia pari a 1sec; se non è specificato il valore di picco iniziale è sottointeso che questo è legato, attraverso il fattore n, alla corrente di cortocircuito condizionata dichiarata. di protezione installati a monte delle sbarre sul lato alimentazione. In pratica, se il dispositivo di protezione a monte del sistema di sbarre non ha caratteristiche di limitazione apprezzabili (oppure non è noto a priori) occorre dimensionare il sistema di sbarre principali in modo che abbia una Icw maggiore della corrente di cortocircuito presente nel punto di installazione. Di seguito cerchiamo di approfondire il concetto con un esempio pratico: Fig.24 Icw=100kA SACE 3.2 Prescrizioni relative ai circuiti elettrici del quadro Oltre alle precedenti indicazioni di carattere generale relative alle modalità d indicazione del valore limite di cortocircuito sopportabile da un quadro, la norma fornisce una serie di prescrizioni su come devono essere dimensionati i circuiti elettrici interni al quadro al fine di ridurre la possibilità di un guasto. Le principali prescrizioni sono fornite con riferimento al sistema di sbarre interno che deve essere appunto realizzato con modalità tali da rendere remota la possibilità che si possa generare su di esse un cortocircuito. Per il dimensionamento delle sbarre in relazione alla tenuta al cortocircuito diverse prescrizioni devono essere rispettate in relazione al fatto che ci si riferisca ad un sistema di sbarre principali, oppure a circuiti da esse derivati Sistema di sbarre principali Le sbarre principali (nude o isolate) devono essere disposte in modo che risulti improbabile che si produca un cortocircuito interno in condizioni ordinarie di servizio. Salvo indicazione contraria, le sbarre devono essere dimensionate in accordo con i dati relativi alla tenuta al cortocircuito e realizzate in modo da resistere almeno alle sollecitazioni di cortocircuito limitate dai dispositivi 40 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione Ik=100kA Nel quadro di figura 24 l interruttore posto a protezione del sistema di sbarre principale è un Emax E4H con valore di Icw = 100kA. Se anche il sistema di sbarre ha una Icw pari a 100kA o superiore si dirà che il circuito, costituito dall interruttore e dal sistema di sbarre, ha una Icw = 100kA Se invece il dispositivo posto a protezione del sistema di sbarre principali è un interruttore automatico con caratteristiche di limitazione, il sistema di sbarre può essere dimensionato per resistere alle sollecitazioni dovute al picco limitato ed all energia specifica limitata dall interruttore. Prendiamo in considerazione ad esempio il quadro di figura 25 che dovrà essere installato in un impianto avente una corrente di cortocircuito presunta Ik pari a 100kA a 400V. Come interruttore di ingresso quadro si prevede l utilizzo di un Tmax T6L1000.43 In corrispondenza della Ik, a valle del dispositivo in ingresso, si rilevano i seguenti parametri: - energia specifica passante inferiore a 20MA 2 s - corrente di picco limitata inferiore a 80kA La presenza di un apparecchio limitatore interno al quadro, permette quindi di installare a valle di questo dispositivo un sistema di sbarre con una Icw < 100kA (corrente di cortocircuito nell impianto) a cui però dovranno corrispondere un valore di picco e di energia specifica sopportabile superiori a quelli rilevati a valle dell interruttore. Fig.25 Icw=50kA Sbarre e conduttori di distribuzione derivati dalle sbarre principali Nella sezione di un quadro i conduttori e le sbarre di distribuzione posti tra le sbarre principali e il lato alimentazione delle singole unità funzionali, come pure i componenti costitutivi di queste unità, possono essere dimensionati in base alle sollecitazioni di cortocircuito ridotte che si producono a valle del dispositivo di protezione dal cortocircuito delle singole unità, purché i conduttori siano disposti in modo tale che, in condizioni normali di servizio, il cortocircuito interno tra le fasi e/o tra le fasi e la terra sia da considerarsi una possibilità remota. È preferibile che tali conduttori siano di costruzione massiccia e rigida. Da questa prescrizione normativa, sono ovvi i vantaggi economici e dimensionali che si ottengono, soprattutto quando si hanno molti circuiti derivati da un unico sistema di sbarre generale. Fig.26 Dimensionata in base alla limitazione dell interruttore generale 3 Problematiche relative al cortocircuito Ic=100kA Considerando per esempio un sistema di sbarre caratterizzato da una Icw pari a 50kA, esso può sopportare i seguenti parametri: - energia specifica 50kA x 50kA x 1s = 2500MA 2 s - una corrente di picco 50kA x 2.1 = 105kA Risulta facile verificare che il sistema di sbarre (Icw=50kA I pk = 105kA I 2 t = 2500MA 2 s) è in grado di sopportare delle sollecitazioni maggiori di quelle che si producono a valle dell interruttore T6L. In conclusione è quindi possibile installare a valle del T6L un sistema di sbarre con una Icw pari a 50kA. In questo caso si dirà che il circuito, costituito dalle barre e dall interruttore, ha una Icc = 100kA, quindi idoneo alla corrente di cortocircuito presunta dell impianto. T7 Dimensionata in base alla limitazione dell interruttore T2 Dimensionata in base alla limitazione dell interruttore più grande delle partenze delle singole unità, oppure in base alle prestazioni dell interruttore generale di quadro. Dimensionata in base alla limitazione dell interruttore T3 S b a r r a p r i n c i p a l e S b a r r a d i d i s t r i b u z i o n e T2 160 T2 160 T3 250 T3 250 T3 250 Conduttori Consideriamo il quadro in figura 26: dalla sbarra principale è derivata la distribuzione verticale costituita da sbarra nuda di costruzione massiccia e con distanziatori, così da poter essere considerata remota la possibilità di un cortocircuito. Da questa sbarra si staccano diversi conduttori orizzontali (in cavo) che costituiscono l alimentazione degli interruttori generali delle varie partenze. Per un corretto dimensionamento della sbarra di distribuzione verticale è possibile considerare il dispositivo in partenza che ha caratteristiche di limitazione meno spiccate rispetto agli altri. In questo modo, anche per un guasto a valle dell interruttore con minori capacità di Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 4144 3 Problematiche relative al cortocircuito limitazione, la sbarra si troverà sottoposta a sollecitazioni accettabili. Un dimensionamento della sbarra di distribuzione effettuato sulla base di quanto descritto trova riscontro nelle prescrizioni normative; nonostante questo è prassi comune di molti quadristi dimensionare le sbarre di distribuzione con riferimento alle prestazioni dell interruttore presente all ingresso del quadro, in termini di energia lasciata passare e di picco limitato. I diversi cavi che alimentano i singoli interruttori saranno invece dimensionati in funzione delle caratteristiche di limitazione del relativo dispositivo che alimentano. 3.3 Riduzione delle possibilità e degli effetti del cortocircuito Per quanto riguarda le prescrizioni volte a rendere remota la possibilità di cortocircuito nei conduttori attivi, la norma CEI EN propone una serie di accorgimenti dipendenti dalla tipologia di condutture. A scopo di esempio riportiamo le indicazioni relative a: - conduttori nudi, o conduttori ad un anima singola con isolamento principale, come i cavi conformi alla IEC , per i quali si deve evitare il contatto reciproco o il contatto con parti conduttrici, per esempio attraverso l uso di distanziatori; - conduttori ad un anima singola con isolamento principale ed una temperatura massima ammessa per il funzionamento del conduttore superiore a 90 C, per esempio i cavi conformi alla IEC oppure i cavi isolati in PVC resistenti al calore conformi alla IEC per i quali il contatto reciproco o con parti conduttrici è consentito là dove non viene applicata una pressione esterna. Si deve evitare il contatto con spigoli vivi. Non deve esserci il rischio di danni meccanici. Questi conduttori possono essere unicamente alimentati in modo tale che non venga superata una temperatura di funzionamento di 70 C; - conduttori con isolamento principale, (cavi conformi alla IEC ), aventi un isolamento secondario supplementare, ad esempio ricoperti singolarmente con una guaina restringente o posti individualmente in tubi in materiale plastico, oppure conduttori isolati con materiale ad elevata resistenza meccanica, (isolamento FTFE), per i quali nessuna prescrizione supplementare è richiesta per l installazione se non c è il rischio di danni meccanici Distanze minime di ancoraggio dei conduttori Uno dei principali problemi relativi al cortocircuito che interessa direttamente il quadrista sono le massime distanze di ancoraggio dei conduttori connessi agli interruttori rispetto ai terminali degli interruttori stessi. Come noto, all interno dei quadri è necessario che i cavi e le sbarre siano fissati alla struttura. Infatti, durante un cortocircuito, le sollecitazioni dinamiche prodotte nei conduttori potrebbero ripercuotersi sui terminali degli interruttori con conseguente danneggiamento. Riportiamo qui di seguito in figura 27 una serie di grafici riferiti ad interruttori della serie Tmax ed Emax che permettono, in funzione della corrente di picco massima in cortocircuito e della tipologia di interruttori, di determinare le massime distanze ammesse tra i terminali dell interruttore e il primo elemento di ancoraggio dei conduttori. Per conduttori ci si riferisce alle sbarre quando la corrente è superiore o uguale a 400A, mentre ci si riferisce a cavi quando la corrente è inferiore. Questa distinzione è fatta conformemente alle tabelle 8 e 9 della norma CEI EN Se le esigenze specifiche richiedono o prevedono l utilizzo di sbarre anche per correnti inferiori a 400A, le distanze ricavabili dai grafici non subiscono variazioni, mentre le distanze riferite all utilizzo di sbarre non sono valide se si utilizzano cavi. Fig.27 Distanza di posizionamento consigliata per primo setto di ancoraggio delle sbarre in funzione del picco di corrente di cortocircuito massima presunta Tmax T1 L [mm] I pk [ka] 42 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione45 Tmax T2 L [mm] I pk [ka] Tmax T Tmax T5 Valido per: - terminali anteriori e posteriori - connessione attraverso barre rigide. L [mm] I pk [ka] Problematiche relative al cortocircuito L [mm] Distanza di posizionamento consigliata per primo setto di ancoraggio delle sbarre in funzione del picco di corrente di cortocircuito massima presunta. Interruttore con terminali orizzontali e verticali. Emax E1 B E2 B-N E3 N-S-H E4 S-H E6 H-V I pk [ka] Tmax T L [mm] E2 L L [mm] E3 L I pk [ka] I pk [ka] Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 4346 3 Problematiche relative al cortocircuito La figura 28 fornisce per gli interruttori scatolati Tmax un esempio della distanza massima consigliata (in mm) a cui Fig.28 Tmax T mm Tmax T2 posizionare il primo setto di ancoraggio, in relazione alla massima corrente di picco possibile per l interruttore mm 2 Tmax T3 Tmax T5 Tmax T6 Tmax T Tmax T mm Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione47 La figura 29 fornisce per gli interruttori aperti Emax un esempio della massima distanza (in mm) a cui posizionare il primo setto di ancoraggio delle barre che si connettono all interruttore in funzione delle diverse tipologie di terminali disponibili, e per i valori di picco più alti, come si ricava dai grafici di figura 27. Fig.29 Emax X1 Emax E1 E6 Attacchi verticali P Attacchi anteriori P P Orizzontali P [mm] 200 P P Verticali P [mm] Attacchi orizzontali P Attacchi piani Attacchi Anteriori P [mm] Piani P [mm] Emax E1-E E3-E4-E E1-E Verifica della tenuta al cortocircuito e limitazione degli interruttori La norma CEI EN permette che, in alcuni casi, non sia necessario verificare la tenuta al cortocircuito del quadro. In particolare, sono esenti da verifica quei quadri che: - hanno correnti di breve durata o correnti condizionate inferiori a 10kA; - sono protetti da dispositivi limitatori di corrente aventi una corrente di picco limitata non superiore a 17kA in corrispondenza della massima corrente di cortocircuito presunta ai teminali del circuito di ingresso del quadro. Come è noto le caratteristiche di limitazione dell interruttore sono funzione della tensione di lavoro dell interruttore stesso. Riportiamo nella seguente tabella 22, per i diversi interruttori di protezione e per le più comuni tensioni d impianto, i valori che approssimativamente rappresentano la massima corrente di cortocircuito presunta in [ka] tale per cui il picco limitato non supera i 17kA, così da non dover effettuare la prova di verifica della tenuta al cortocircuito per il quadro. Tabella 22 Tipologia Interruttore Tensione nominale d impianto Corrente nominale In [A] 230Vac 415Vac 500Vac 690Vac S S200M S200P S200P S (In 80A) 10(In 80A) 6(In 80A) 4.5(In 80A) S T1 < T T T T T T T T T T T T T T T5 T6 T Il valore di corrente di cortocircuito riportato in tabella dovrà essere confrontato con il potere d interruzione dell interruttore per le diverse versioni disponibili. 3 Problematiche relative al cortocircuito Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 4548 3 Problematiche relative al cortocircuito Problematiche relative alle distanze d installazione La norma CEI EN demanda ai costruttori degli interruttori il compito di fornire prescrizioni per l installazione di questi all interno del quadro. Fig.30 Distanza di isolamento per installazione T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 A [mm] (*) 30 (*) 35 (*) 50 (*) B [mm] C [mm] (*) 25 (*) (*) Per Un 440V e T6L tutte le versioni: distanza A 100 mm Nota: Per le distanze di isolamento degli interruttori a 1000V, chiedere ad ABB SACE. Riportiamo qui di seguito nelle figure 30 e 31, rispettivamente per gli interruttori ABB SACE serie Tmax ed Emax, le indicazioni relative alle distanze da rispettare nelle installazioni fino a 690V c.a.; tali distanze sono già presenti nei cataloghi tecnici e nei manuali degli interruttori. A C B Distanze tra due interruttori affiancati o sovrapposti Per il montaggio affiancato o sovrapposto verificare che le sbarre o i cavi di collegamento non riducano la distanza di isolamento in aria Interasse minimo tra due interruttori affiancati T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 Larghezza interruttore [mm] 3 poli poli Interasse I [mm] 3 poli (*) poli (*) (*) Per Un 500V interasse I (mm) 3 poli 180, interasse I (mm) 4 poli 224 I Distanza minima tra due interruttori sovrapposti T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 H [mm] Capocorda Cavo isolato H Connessione non isolata H H Note: Le dimensioni indicate valgono con tensioni di esercizio Un fino a 690 V. Le distanze di rispetto sono da aggiungere all ingombro massimo degli interruttori nelle varie esecuzioni, terminali compresi. Per esecuzioni a 1000V, chiedere ad ABB SACE. 46 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione49 Fig.31 Dimensione della cella Emax E1 E2 E3 E4 E4f E6 E6f A [mm] B [mm] Nota: per Emax X1 considerare le stesse indicazioni fornite in figura 30 e riferite alla distanza di isolamento dell interruttore Tmax T7. Emax versione fissa Emax versione estraibile 3 Problematiche relative al cortocircuito B 4 poli A 3 poli 242 min. 282 max B 4 poli A 3 poli 380 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 4750 SACE SACE SACE SACE Appendice A Esempio di quadri elettrici realizzati con interruttori ABB Appendice A In questa appendice si riportano alcune considerazioni relative a due tipologie di quadro realizzate con interruttori ABB. Primo esempio Configurazione del fronte-quadro Sezione A Sezione B Sezione C Q5 S7L A E6-5000A E3-2500A S7L A Q1 Q2 Q6 E2-1250A S6L - 630A Q7 Q3 S5L - 400A Q8 S4L - 250A Alimentazione E2-1250A Q9 Q4 Caratteristiche del quadro Dimensioni quadro Altezza: 2300 mm Larghezza: 2900 mm Profondità: 1100 mm Grado di protezione IP3X Grado di segregazione 4B Tabella dati Circuito Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 Interruttore E6H E3H E2L E2L S7L S7L S6L S5L S4L Corrente nominale In [A] Fattore di contemporaneità Corrente di prova [A] Corrente di breve durata Icw [ka] Corrente di picco Ipk [ka] Corrente condizionata Icc [ka] Nella tabella sono riportati i dati degli interruttori montati nel quadro e le portate effettive, rilevate da test eseguiti secondo la norma CEI EN Dai risultati ottenuti risulta evidente che, se il quadro è costruito con un opportuna geometria e opportuni gradi di segregazione, posizionando correttamente gli apparecchi e con conduttori e sbarre dimensionati secondo i valori di sezione e lunghezza minima specificate dalla norma, si ottengono per gli interruttori nel quadro delle portate prossime alle portate nominali. Dalla tabella si vede anche come il circuito di distribuzione principale (traccia arancione), che prevede un interruttore non limitatore, dovrà essere dimensionato per poter sopportare la corrente di cortocircuito per 1 secondo e il relativo picco; i circuiti di distribuzione (traccia marrone) che prevedono un interruttore limitatore, potranno invece essere dimensionati per la corrente di cortocircuito condizionata, cioè per la sezione C dovranno essere dimensionati relativamente a picco ed energia lasciati passare da E2L, mentre per la sezione A dovranno essere dimensionati relativamente a picco ed energia lasciati passare da S7L. Il dimensionamento secondo questo criterio è valido se si è in grado di assicurare che la possibilità che si verifichi un guasto sulla sbarra di distribuzione sia nulla. In caso contrario, anche la sbarra di distribuzione dovrà essere dimensionata come la sbarra principale. 48 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione51 Secondo esempio Configurazione del fronte-quadro Sezione A Camino Sezione B Camino Appendice A Q2 S7 estraibile 1250A Q1 SACE E6H estraibile 5000A Q3 Q4 T5 estraibile 630A T5 estraibile 400A Q5 T4 fisso 250A Caratteristiche del quadro Dimensioni quadro Altezza: 2320 mm Larghezza: 1800 mm Profondità: 1240 mm Grado di protezione IP30 Grado di segregazione 4 Tabella dati Circuito Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Interruttore E6H S7H T5H T5H T4H Corrente nominale In [A] Fattore di contemporaneità Corrente di prova [A] Corrente di breve durata Icw [ka] Corrente di picco Ipk [ka] Corrente condizionata Icc [ka] Per la realizzazione dei circuiti di questo quadro sono stati utilizzati conduttori e sbarre con sezioni maggiori di quelle consigliate dalla norma. In queste condizioni, come si può notare dall analisi dei dati riportati nella tabella, le effettive portate dei circuiti nel quadro sono venute a coincidere con le portate nominali degli interruttori. Per la verifica della protezione delle sbarre valgono le stesse considerazioni fatte nel caso precedente. Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 4952 Appendice B Forme di segregazione Appendice B Suddividendo il quadro mediante barriere o diaframmi (metallici o non metallici) in celle separate o frazioni di scomparto, si possono ottenere protezione contro i contatti con parti attive appartenenti ad unità funzionali adiacenti e protezione contro il passaggio di corpi solidi estranei da una unità del quadro ad una unità adiacente. Le forme tipiche di segregazione mediante barriere o diaframmi sono le seguenti: Forma 1 Nessuna segregazione interna Forma 2 Segregazione delle sbarre dalle unità funzionali Forma 2a Terminali per i conduttori esterni non separati dalle sbarre Forma 2b Terminali per i conduttori esterni separati dalle sbarre Forma 3 Segregazione delle sbarre dalle unità funzionali e segregazione di tutte le unità funzionali l una dall altra. Segregazione dei terminali per i conduttori esterni dalle unità funzionali, ma non da quelli delle altre unità funzionali Forma 3a Terminali per i conduttori esterni non separati dalle sbarre Forma 3b Terminali per i conduttori esterni separati dalle sbarre Forma 4 Segregazione delle sbarre dalle unità funzionali e segregazione di tutte le unità funzionali l una dall altra. Segregazione dei terminali per conduttori esterni associati ad un unità funzionale da quelli di qualsiasi altra unità funzionale e dalle sbarre Forma 4a Terminali per i conduttori esterni nella stessa cella come le unità funzionali associate Forma 4b Terminali per i conduttori esterni non nella stessa cella come le unità funzionali associate ma in singoli spazi separati e racchiusi o in celle Simboli c d Legenda a Involucro b Segregazione interna c Unità funzionali compresi i terminali per i conduttori esterni associati d Sbarre, comprese le sbarre di distribuzione a b 50 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione53 Appendice C Gradi di protezione IP A titolo di esempio riportiamo in tabella C i gradi di protezione minimi che deve avere un quadro affinchè possa essere installato negli ambienti indicati, conformemente a quanto prescritto dalla norme citate. Il grado di protezione previsto per una apparecchiatura contro i contatti con le parti attive e la penetrazione di corpi estranei liquidi e solidi è indicato dalla sigla IP... in accordo con la CEI EN Di seguito forniamo un breve riassunto del significato dei vari termini che compongono il codice. Per maggiori dettagli rimandiamo alla norma CEI EN Appendice C Lettere caratteristiche (Protezione Internazionale) Prima cifra caratteristica (cifra da 0 a 6, o lettera X) Seconda cifra caratteristica (cifra da 0 a 8, o lettera X) Lettera addizionale (opzionale) (lettere A, B, C, D): Lettera supplementare (opzionale) (lettere H, M, S, W) IP Contro la penetrazione di corpi solidi estranei Contro la penetrazione di acqua con effetti dannosi Contro l accesso a parti pericolose Informazioni supplementari La lettera X deve essere utilizzata quando non è richiesta una cifra caratteristica, XX se sono omesse entrambe le cifre. Tipo di quadro / tipo di ambiente Norma e paragrafo Grado minimo di protezione Apparecchiatura di protezione e manovra: quadri chiusi CEI EN par Non definito Quadri per esterno CEI EN par IPX3 Quadri aventi protezione con isolamento completo CEI EN par IP2XC Impianti in ambienti ordinari Zone non a portata di mano CEI 64-8/4 par IPXXB (IP2X) Zone a portata di mano orizzontali CEI 64-8/4 par IPXXD (IP4X) Impianti in bagni docce e bagni pubblici Zone 1 e 2 CEI 64-8/7 par IPX4 Zona 3 CEI 64-8/7 par IPX1 Zone bagni pubblici soggette a pulizia con getti d acqua CEI 64-8/7 par IPX5 Impianti in piscine Zona 0 CEI 64-8/7 par IPX8 Zona 1 CEI 64-8/7 par IPX5 Zona 2 al coperto CEI 64-8/7 par IPX2 Zona 2 all aperto CEI 64-8/7 par IPX4 Zona 2 soggette a pulizia con getti d acqua CEI 64-8/7 par IPX5 Impianti in saune CEI 64-8/7 par IP24 Impianti in luoghi a maggior rischio di incendio CEI 64-8/7 par IP4X Impianti in cantieri (Quadri ASC) CEI EN par IP44 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione 5154 Glossario Glossario fc In c I2p, I3p... T T T A fattore di contemporaneità corrente nominale del circuito corrente di prova del circuito 2, corrente di prova del circuito 3, ecc. temperatura assoluta [ C] temperatura dell aria ambiente [ C] T BT ANS c.c. c.a. Ib P CB sovratemperatura [K] bassa tensione quadro parzialmente soggetto a prove di tipo (quadro non di serie) corrente continua corrente alternata corrente reale di carico potenza dissipata dall interruttore alla Ib Pn CB In CB P SB potenza dissipata dall interruttore alla In CB corrente nominale dell interruttore potenza dissipata dalla sbarra alla Ib Pn SB In SB L SB P TQ A E b A 0 d IP Icw I pk Icc Ik n potenza dissipata dalla sbarra alla In SB corrente nominale della sbarra lunghezza della sbarra potenza totale dissipata dal quadro superficie effettiva di raffreddamento fattore di superficie somma delle superfici individuali coefficiente di temperatura grado di protezione corrente nominale di breve durata corrente nominale di picco corrente nominale di cortocircuito condizionata corrente di cortocircuito presunta fattore di picco 52 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione55 Quaderni di Applicazione Tecnica QT4 Gli interruttori ABB nei quadri di bassa tensione ABB circuit-breakers inside LV switchboards QT5 Interruttori ABB per applicazioni in corrente continua QT1 La selettività in bassa tensione con interruttori ABB Low voltage selectivity with ABB circuit-breakers QT2 Cabine MT/BT teoria ed esempi di calcolo ABB circuit-breakers for direct current applications QT6 Quadri per bassa tensione a tenuta d arco interno Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies MV/LV trasformer substations: theory and examples of short-circuit calculation QT3 Sistemi di distribuzione e protezione contro i contatti indiretti ed i guasti di terra Distribution systems and protection against indirect contact and earth fault Vedere altro
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