il nuovo Rapporto Tecnico 2018 CEI IEC/TR 60890 (CEI 17-43) Quadri BT: verifica sovratemperature tramite calcoli
In allegato Cap. 10.10 della EN 61439 "Verifica delle sovratemperature"
_____
In data 1 febbraio 2018 è stato pubblicato il nuovo Rapporto Tecnico CEI IEC/TR 60890 (CEI 17-43) “Modalità di verifica tramite calcolo della sovratemperatura per le apparecchiature assiemate di protezione e di manovra per bassa tensione (quadri BT)”.
Il documento annulla e sostituisce la prima edizione pubblicata dalla IEC nel 1987 e la successiva Variante del 1995, sostituendo completamente la precedente edizione della equivalente Norma CEI 17-43:2000. La nuova edizione, rispetto alla precedente, introduce le seguenti principali modifiche:
- l’allineamento alla IEC 61439-1:2011 “Low-voltage switchgear and controlgear assemblies – Part 1: General rules”;
- il riesame dell’Allegato B che tratta le correnti di impiego massime ammissibili e le potenze dissipate dai conduttori;
- una generale revisione editoriale del documento.
Per quanto riguarda il contenuto, il Rapporto Tecnico descrive una modalità di verifica tramite calcolo della sovratemperatura per le apparecchiature assiemate di protezione e di manovra per bassa tensione. Questa metodologia si applica ai quadri BT o alle parti dei quadri BT senza ventilazione forzata, in particolare nei limiti fissati dalle norme di prodotto della serie CEI EN 61439 sulle apparecchiature assiemate di protezione e di manovra per bassa tensione. L’approccio generalizzato utilizzato per determinare la sovratemperatura dell’aria all’interno dell’involucro ne assicura l’applicabilità agli involucri in lamiera d’acciaio, lamiera di alluminio, ghisa, materiale isolante e simili.
https://my.ceinorme.it/index.html?locale=IT#detailsId=0000016048
Fonte CEI
La progettazione del quadro elettrico non può prescindere da una corretta valutazione della temperatura interna per garantire prestazioni ed affidabilità nel tempo.
Le apparecchiature elettriche ed elettroniche, nel loro normale funzionamento, generano calore che si accumula all'interno dei quadri elettrici in cui sono installate.
L’evoluzione degli impianti elettrici ha portato a un notevole aumento della potenza richiesta ai sistemi di distribuzione, esigenza che spesso si scontra con i vincoli ambientali che limitano gli spazi a disposizione per le installazioni. Il tutto unito alla necessità di assicurare sempre la massima continuità di esercizio.
Il controllo della temperatura nei quadri elettrici diventa, quindi, uno dei più importanti elementi progettuali.
Dimensionamento termico del quadro elettrico.
Per garantire un corretto dimensionamento termico del quadro elettrico occorre considerare, oltre all’aumento di temperatura legato alla potenza dissipata dalle apparecchiature elettriche ed elettroniche, altri contributi come il calore irradiato da fonti esterne o interne (come ad esempio i conduttori, elettronica per avviamenti) e quello trasmesso per contatto.
Tutti fattori che concorrono a elevare la temperatura interna del quadro a valori superiori a quelli dell’ambiente esterno (si parla in questo caso di sovratemperatura rispetto alla temperatura ambiente).
La capacità di un quadro elettrico di dissipare nell’ambiente il calore che si forma al suo interno è funzione della sua superficie disperdente e della sua ermeticità rispetto all’ambiente (il suo grado di protezione) e dalla segregazione richiesta.
I rischi della sovratemperatura.
Il verificarsi di un’eccessiva temperatura all’interno di un quadro elettrico si traduce in un deterioramento dei componenti interni, con conseguente modifica delle prestazioni e riduzione sia della loro durata, sia dell’affidabilità nel tempo. Oltre a ciò si devono considerare fenomeni di riduzione della portata di corrente da parte dei componenti, riduzione che può essere significativa e che comunque va verificata sul catalogo del costruttore di quel singolo componente. In aggiunta, per esempio per gli apparecchi di protezione, si possono verificare scatti intempestivi.
L’assenza di limitazione della sovratemperatura può essere, quindi, causa di una mancata operatività, ben più onerosa del costo di un sistema di controllo e limitazione della temperatura all’interno del quadro.
La normativa.
Per i loro componenti interni, la Norma dei quadri elettrici EN CEI 61349-1 non stabilisce un vero e proprio limite di temperatura assoluta accettabile all’interno del quadro, ma rimanda alle Norme relative ai singoli apparecchi e alle prescrizioni dei produttori. La norma EN CEI 61439-1 fissa principalmente i valori di sovratemperatura per alcune parti dei componenti installati, quali: apparecchi, terminali e parti metalliche e non allo scopo di preservare i conduttori che vi sono connessi.
Tuttavia, i valori prescritti vengono definiti in condizioni di prova prefissate, che sono tipicamente molto differenti da quelle d’installazione. Inoltre, tali valori non hanno un preciso legame con il grado di deterioramento funzionale dell’apparecchio, che dipende dai suoi componenti interni.
Per gli apparecchi interni al quadro occorre, quindi, conoscere il loro comportamento in funzione della temperatura e fino a quale condizione termica siano utilizzabili senza che venga pregiudicata la loro funzionalità nel tempo.
Massima temperatura all'interno di un quadro elettrico.
La temperatura all’interno di un quadro elettrico debba essere tale da non pregiudicare l’affidabilità delle apparecchiature in esso contenute. La posizione delle apparecchiature all’interno del quadro influenza il valore di temperatura e quindi le prestazioni dei componenti.
La sovratemperatura nei quadri elettrici è funzione della temperatura dell’ambiente in cui il quadro è installato e, per questo motivo, nella Norma relativa ai quadri (CEI EN 61439-1) vengono fissati i valori massimi di temperatura dell’aria e dell’umidità relativa dell’ambiente nel quale sono installati, distinguendo in quadri per uso interno e per uso esterno (tabella 1).
In entrambi i casi la Norma fissa come massima temperatura ambiente +40 °C.
Valutazione della sovratemperatura nei quadri
Il calcolo della sovratemperatura all’interno dei quadri elettrici deve essere effettuato seguendo le indicazioni contenute nella Norma (CEI EN 61439-1), partendo dalle condizioni ambientali esterne e considerando l’addizionale dissipazione di calore dei componenti posti all’interno del quadro, il grado di protezione e la segregazione.
La Norma fissa limiti di sovratemperatura differenti per diverse zone del quadro e la valutazione permette di conoscere la massima temperatura interna raggiunta nelle varie zone. Inoltre, la Norma prescrive le massime sovratemperature anche in particolari punti, quali gli organi di comando manuale e le coperture esterne accessibili dei componenti.
Se il risultato del calcolo rileva che all’interno del quadro elettrico si raggiunge una temperatura superiore ai valori di riferimento dei prodotti installati, occorre adottare soluzioni per riportare la temperatura entro tale valore.
Ai fini della certificazione del quadro, la norma prevede tre metodologie differenti:
La verifica dei limiti di sovratemperatura imposti dalla Norma CEI EN 61439-1 può essere effettuata con uno o più dei seguenti metodi:
1. Prove di verifica (Prova di verifica con corrente in laboratorio);
2. Prove di confronto (Derivazione con regole di progetto)
3. Prove di valutazione (Calcolo algebrico)
La corrente nominale del quadro dipende dalla metodologia utilizzata: nessun limite di corrente per le prove di verifica e confronto, 1600A o 630A rispettivamente per le prove di valutazione fatte in accordo alla CEI 17-43 o metodo delle potenze.
|
Tipologia di quadro |
Umidità relativa |
Temperatura dell’aria |
Altitudine |
|
Quadro per interno |
50% (alla temperatura massima di +40 °C) |
Temperatura massima < +40 °C |
Non superiore a 2.000 metri
|
|
90% (alla temperatura massima di +20 °C) |
Temperatura massima media in un periodo di 24 ore < +35 °C |
||
|
Temperatura minima > -5 °C |
|||
|
Quadro per esterno |
100% temporaneamente |
Temperatura massima < +40 °C |
|
|
Temperatura massima media in un periodo di 24 ore < +35 °C |
|||
|
Temperatura minima > -25 °C per climi temperati |
|||
|
Temperatura minima > -50 °C per climi artici |
Tabella 1: Condizioni ambientali d’installazione per un quadro elettrico secondo le norme CEI.
Di seguito, Tabella 2, per i vari componenti del quadro, i limiti di sovratemperatura forniti dalla Norma.
|
Parti del quadro |
Sovratemperature K |
|||
|
Componenti incorporati a) |
(*) In accordo con le relative prescrizioni delle norme di prodotto per i componenti singoli, o secondo le istruzioni del costruttore del componente f), tenendo in considerazione la temperatura interna del quadro |
|||
|
Terminali per conduttori esterni isolati |
70 b) |
|||
|
Sbarre e conduttori |
Limitata da: |
|||
|
- resistenza meccanica del materiale conduttore g); |
||||
|
- possibili in uenze sull’apparecchio 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. |
||||
|
Organi di comando manuale: |
||||
|
- di metallo |
15 c) |
|||
|
- di materiale isolante |
25 c) |
|||
|
Involucri e coperture esterne accessibili: |
||||
| - superfici metalliche |
30 d) |
|||
| - superfici isolanti |
40 d) |
|||
|
Connessioni particolari del tipo presa a spina e spina |
Determinata dai limiti ssati per i componenti dell’apparecchio di cui fanno parte e) |
|||
Tabella 2 - Verifica dei limiti di sovratemperatura all’interno di un quadro
Nota:
I 105 K si riferiscono alla temperatura oltre la quale si può verificare la ricottura del rame. Altri materiali possono avere sovratemperature massime differenti.
(*) Per quanto riguarda gli interruttori installati in quadro, i limiti di sovratemperatura sono i seguenti:
- 70 K se al terminale è collegato un conduttore isolato;
- 85 K per i terminali degli interruttori, se questi non sono collegati direttamente a conduttori isolati (la sovratemperatura di 85 K è sempre in riferimento alla temperatura ambiente esterna al quadro di 35°C)
a) Il termine “componenti incorporati” significa:
- apparecchi convenzionali di protezione e di manovra;
- sottoassiemi elettronici (per es. ponti raddrizzatori, circuiti stampati);
- parti d’equipaggiamento (per es. regolatore, alimentatore stabilizzato di potenza, ampli catore operazionale).
b) Il limite di sovratemperatura di 70 K è un valore basato sulla prova convenzionale riportata in 10.10. Un quadro utilizzato o provato nelle condizioni d’installazione può avere connessioni il cui tipo, natura e disposizione sono diversi da quelli utilizzati per la prova; può quindi 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 corrispondente limite di sovratemperatura più basso.
c) Per gli organi di comando manuale posti all’interno dei quadri, accessibili solo dopo l’apertura del quadro, per es. manopole d’estrazione d’uso poco frequente, è ammesso un aumento di 25 K su questi limiti di sovratemperatura.
d) Se non diversamente speci cato, in caso di coperture e involucri che sono accessibili ma che non richiedono di essere toccati in condizioni normali di servizio, è ammesso un aumento di 10 K su questi limiti di sovratemperatura. Super ci esterne e parti sopra i 2 m dalla base del quadro si considerano non accessibili.
e) Ciò permette un grado di essibilità rispetto all’apparecchiatura (per es. dispositivi elettronici) soggetta a limiti di sovratemperatura diversi da quelli normalmente attribuiti agli apparecchi di protezione e manovra.
f) Per le prove di sovratemperatura secondo 10.10, i limiti di sovratemperatura devono essere speci cati dal costruttore originale, tenendo in considerazione altri punti di misura ed i limiti imposti dal costruttore del componente.
g) Supponendo che tutti gli altri criteri elencati siano soddisfatti, non deve essere superata una sovratemperatura massima di 105 K per sbarre e conduttori di rame nudi.
Verifica termica di un quadro
Dal punto di vista della certicazione del quadro, per quanto riguarda le sovratemperature, come detto, è possibile seguire una delle tre nuove procedure di verifica disponibili e in particolare:
1) la prova di verifica (prima definita prova di tipo).
Su alcuni quadri prototipo, effettivamente testati con corrente in sala prove, si rilevano, in prefissati punti interni al quadro, le sovratemperature raggiunte e mantenute a regime (Paragrafo 10.10.4.2 della Norma CEI EN 61439-1).
Questi valori sono poi confrontati con quelli ammissibili (riportati in Tabella 2); se i valori misurati sono minori o uguali a quelli ammissibili, la prova si considera superata con quelle correnti e con quelle determinate condizioni al contorno (temperatura ambiente, umidità ecc);
2) la derivazione (da un quadro cablato provato) di varianti similari.
Questa procedura, applicabile disponendo appunto dei dati ottenuti dai test, è usata per la verifica di conformità dei quadri non provati ma rispondenti a precise regole comparative rispetto ai quadri testati (Paragrafo 10.10.4.3 della Norma CEI EN 61439-1).
I quadri derivati si considerano conformi se, rispetto ai quadri provati, hanno:
- le unità funzionali dello stesso tipo (es: stessi schemi elettrici, apparecchi della stessa taglia, stessa disposizione e ssaggio, stessa struttura di montaggio, stessi cavi e cablaggi) di quelle usate nell’unità provata;
- lo stesso tipo di costruzione come quello usato per la prova;
- le stesse o maggiori dimensioni esterne di quelle usate per la prova;
- le stesse o migliorative condizioni di raffreddamento di quelle usate per la prova (convezione forzata o naturale, stesse o maggiori aperture di ventilazione);
- la stessa o inferiore forma di segregazione interna di quella usata per la prova (se esiste);
- la stessa o minore potenza dissipata nello stesso scomparto di quella usata per la prova;
- lo stesso o ridotto numero di circuiti di uscita per ogni scomparto.
3) la verifica delle sovratemperature per mezzo di calcoli.
In questo caso si prescinde dalle prove di laboratorio e si sfruttano algoritmi matematici di tipo termodinamico, che sono tra l’altro già in uso da anni presso i quadristi assemblatori. Questi metodi di puro calcolo sono due, distinti e indipendenti tra loro e in alternativa alle prove. Essi sono:
a) il cosiddetto “metodo delle potenze” che si fonda sul non superamento di un tetto limite di potenza termica dissipabile in un determinato involucro. Per stabilire questo valore delle perdite, in watt, si simula il riscaldamento del quadro vuoto inserendovi dei resistori di riscaldamento calibrati, che porteranno a regime termico l’involucro.
Una volta raggiunto il regime termico e dopo aver verificato che le sovratemperature rientrano nei limiti tabulati (vedi Tabella 2), si ricava, per ogni involucro, il valore massimo della potenza termica dissipabile.
Questo metodo comporta alcune limitazioni e in particolare si applica a quadri:
- a singolo scomparto e con corrente no a 630 A;
- con una distribuzione omogenea delle perdite interne;
- in cui le parti meccaniche e le apparecchiature installate sono disposte in modo da non ostacolare, se non in maniera modesta, la circolazione dell’aria;
- in cui i conduttori che trasportano correnti superiori a 200 A e le parti strutturali sono disposti in modo che le perdite per correnti parassite siano trascurabili;
- contenenti apparecchiature impiegate entro l’80% della specifica corrente convenzionale termica in aria libera.
b) l’algoritmo di calcolo della norma CEI 17-43 , applicabile a quadri con più celle e corrente nominale fino a 1600 A.
In questo caso si utilizzano delle procedure di calcolo algebrico senza dati sperimentali.
Si tratta di un procedimento di calcolo che porta al tracciamento, dal basso verso l’alto, della mappa termica a regime del quadro, secondo valori di tem- peratura linearmente crescenti, che raggiungono il valore massimo proprio in cima all’involucro.
In questo modo è possibile, attraverso la potenza totale dissipata, valutare la sovratemperatura ai diversi strati, all’interno del quadro, dal basso verso l’alto.
Collegati
Breve Guida certificazione quadri elettrici
Certifico Quadri Elettrici
Focus Quadri elettrici EN 61439-1: Verifiche e Prove previste
Quadri Elettrici: la nuova norma EN 61439-1:2009 Allegati C e D
Quadri Elettrici: la nuova norma EN 61439-1:2009 Allegati C/D