• Studi di coordinamento selettivo per ambienti mission-critical

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Obiettivi di apprendimento

  • Apprendere i concetti di base del coordinamento dei dispositivi di protezione.
  • Conoscere il corretto dimensionamento dell'interruttore principale del trasformatore.
  • Analizzare l'impatto del coordinamento selettivo sui guasti da arco elettrico.
  • Comprendere l'Articolo 517 del NEC e gli studi di coordinamento dei guasti di messa a terra richiesti per le strutture sanitarie.

Figura 4: Vista aerea della costruzione del Data Center Intergate Quincy di SABEY. Lane Coburn & Assocs. ha collaborato a stretto contatto con il proprietario, l'azienda elettrica e i fornitori di sezionatori per assicurare un adeguato coordinamento tra tutti
Una perdita di alimentazione imprevista può avere notevoli effetti sulle attività aziendali, specialmente in un ambiente mission-critical. L'isolamento di una condizione di guasto elettrico all'interno della più piccola area possibile è essenziale per garantire un sistema di distribuzione elettrica altamente affidabile con massimi tempi di servizio per lo stabilimento. Senza un adeguato studio di coordinamento dei dispositivi di protezione fornito da un ingegnere elettrico esperto, non vale la pena sostenere le spese aggiuntive per una costosa apparecchiatura elettronica di protezione della distribuzione.

Un sistema correttamente coordinato limiterà un eventuale guasto elettrico al più vicino dispositivo di protezione a monte. Dopo aver elaborato uno schema unifilare di un sistema di distribuzione elettrica e aver scelto la marca e il modello dei dispositivi di protezione, è possibile completare uno studio di coordinamento per la protezione da sovracorrenti. I dispositivi di protezione possono essere costituiti da fusibili e interruttori. La valutazione dei vantaggi derivanti dalla scelta di utilizzare fusibili o interruttori automatici non rientra nell'ambito di questo articolo. L'argomento primario è costituito infatti dall'analisi degli interruttori automatici a sgancio regolabile come dispositivi di protezione.

Per ciascun dispositivo di protezione è possibile selezionare numerosi parametri. Il numero totale, il tipo e la sensibilità delle impostazioni dipenderà dal dispositivo specifico. La regolazione di tali parametri permette di effettuare il processo chiamato "definizione della curva". La definizione della curva consente un miglior coordinamento tra i dispositivi di protezione da sovracorrente a monte e a valle. Di seguito è riportato l'elenco dei possibili parametri comuni.

Corrente nominale continua

La corrente nominale continua viene spesso indicata come sensore di corrente o spinotto. Esistono diverse possibilità:

  • Pickup a lungo termine (lungo termine per unità): si tratta dell'impostazione di sgancio a lungo termine per il dispositivo di protezione da sovracorrente. Tale parametro, noto anche come amperaggio continuo, costituisce una percentuale del valore nominale dell'interruttore e generalmente può essere impostato dal 20 al 100%. Questa impostazione viene di solito ottenuta con un sovraccarico termico all'interno di un interruttore automatico scatolato.
  • Ritardo a lungo termine: questa impostazione consente alle correnti di spunto dei motori di passare senza far scattare l'interruttore e ha effetto sulla posizione della pendenza T al quadrato I subito sotto l'impostazione di corrente continua.
  • Pickup a breve termine: generalmente indicato con un adeguamento di 5/10 volte. Questa impostazione permette ai dispositivi di protezione da sovracorrente a valle di eliminare i guasti senza attivare i dispositivi a monte. Può anche essere regolata per consentire la corrente di spunto del trasformatore.
  • Ritardo a breve termine e override istantaneo: impostazione che posticipa il pickup a breve termine. Si può trattare di un'impostazione fissa oppure di un'impostazione di rampa T al quadrato I. Ciò consente un miglior coordinamento tra i dispositivi a monte e a valle. Un override istantaneo può essere impostato ad alta corrente per escludere questa funzione e proteggere le apparecchiature elettriche. La funzione T al quadrato I del ritardo a breve termine può garantire un miglior coordinamento tra un interruttore e un fusibile.
  • Istantaneo: impostazione che attiverà il dispositivo di protezione da sovracorrente senza ritardo intenzionale.
  • Impostazione guasto di messa a terra (guasto di messa a terra per unità): percentuale del valore nominale dell'interruttore per l'impostazione di guasto di messa a terra. In base allo standard NFPA 70: National Electrical Code, i guasti di messa a terra non possono superare i 1200 ampere, indipendentemente dalle dimensioni dell'interruttore.
  • Ritardo guasto di messa a terra: questa impostazione consente un ritardo prima del pickup del guasto di messa a terra, che permette un miglior coordinamento selettivo tra vari livelli di protezione dai guasti di messa a terra. In più, il ritardo non può essere maggiore di 1 secondo (60 cicli) per correnti di guasto a terra di 3000 ampere o superiori.

Prima di iniziare uno studio di coordinamento, l'ingegnere elettrico deve elaborare uno schema unifilare e coordinare le attività con l'installatore degli impianti elettrici e/o con il fornitore dei dispositivi per stabilire le effettive apparecchiature da installare. Per un corretto studio di coordinamento della protezione sono necessari i seguenti elementi:

  • Descrizione, marca e numeri di catalogo dei dispositivi di protezione
  • Corrente di pieno carico al dispositivo di protezione
  • kVA, impedenza e dati della corrente di spunto del trasformatore
  • Corrente di guasto disponibile al dispositivo di protezione
  • Informazioni sul cavo conduttore, tra cui capacità di carico di corrente e tipo di isolamento
  • Requisiti di progettazione del dispositivo di protezione da parte dell'azienda fornitrice di servizi

È prassi comune svolgere i complessi studi di coordinamento della protezione elettrica con software informatici. Solitamente tali piattaforme software contengono librerie che includono le più diffuse impostazioni richieste per i dispositivi di protezione da sovracorrente. A volte l'ingegnere elettrico deve creare nuove impostazioni nel programma software.

Come indicato in precedenza, con la revisione dei concetti base degli studi di coordinamento per la protezione, è possibile assicurare l'affidabilità di un sistema elettrico solo in presenza di un adeguato coordinamento tra i dispositivi di protezione. Nella parte successiva di questo articolo saranno analizzate le situazioni in cui il National Electrical Code richiede uno studio di coordinamento della protezione e i casi in cui, utilizzando i trasformatori a fattore K per gestire i dispositivi elettronici, i carichi non lineari possono ridurre l'affidabilità se non correttamente coordinati.
Utilizzo dei trasformatori a fattore K

In un trasformatore standard, la corrente e il campo magnetico associato sono sfasati di 90° rispetto alla tensione. Quando si chiude un interruttore e si accende un trasformatore, il campo magnetico istantaneo può essere due volte più elevato del normale. In un trasformatore "ideale", anche la corrente richiesta per alimentare questo campo magnetico sarebbe doppia. Tuttavia, in un vero trasformatore, il nucleo magnetico è saturo e l'effettiva corrente richiesta per creare il campo può essere 12 volte superiore al normale. Fattori come la dimensione dei nuclei del trasformatore e il momento in cui viene applicata la tensione rivestono un ruolo fondamentale nel rilevamento della quantità di corrente di spunto.

Figura 1: trasformatore da 30 kVA protetto da un interruttore automatico a 45 ampere. "Tx" si riferisce alla corrente di spunto del trasformatore. La curva dell'interruttore a 45 ampere è rappresentata dai cancelletti rossi. La curva dell'interruttore si trova a destra di "Tx" per garantire che 
La corrente di spunto effettiva menzionata in precedenza è diversa in base al produttore del trasformatore. È essenziale contattare il produttore specifico del trasformatore fornito per l'utilizzo sul campo. Se i dati effettivi sulla corrente di spunto del trasformatore sono noti, lo standard del settore prevede di ipotizzare una corrente di spunto di 12 volte per 0,1 secondi e 25 volte per 0,01 secondi. La figura 1 illustra la corrente di spunto del trasformatore pari a 12 volte per 0,1 secondi.

Alcuni anni fa gli ingegneri elettrici si trovarono ad affrontare una situazione problematica quando il trasformatore a fattore K13 si stava diffondendo in ambienti d'ufficio standard e strutture mission-critical. Spesso un trasformatore a fattore K13 è semplicemente un sistema più grande con un valore nominale inferiore per compensare le armoniche. Lo stesso circuito da 110 ampere di solito sul lato principale di un trasformatore standard da 75 kVA potrebbe scattare per proteggere un trasformatore K13 da 75 kVA. Per il dimensionamento del dispositivo di protezione da sovracorrenti sul lato principale per trasformatori K13 o con fattori più elevati, consiglio di moltiplicare gli ampere di pieno carico in ingresso di un trasformatore del 125% e passare alla dimensione standard superiore. Inoltre è spesso richiesto un circuito con impostazione istantanea per consentire la corrente di spunto del trasformatore. Per finire, consiglio uno studio di coordinamento per garantire il funzionamento del sistema prima che sia troppo tardi, ovvero al termine dell'opera di costruzione e con l'ingegnere alle prese con un proprietario irritato.

Comprendere la normativa

Per comprendere appieno gli impatti potenziali delle recenti modifiche al NEC, è importante riportare la nuova definizione di "coordinamento selettivo" e la nuova normativa agli articoli 100, 517, 700 e 701 applicabili ai sistemi di emergenza e di riserva, che rientrano nei sistemi mission-critical:

Definizioni ai sensi dell'art. 100 del NEC – coordinamento (selettivo): Localizzazione di una condizione di sovracorrente per limitare le interruzioni al circuito o al sistema interessato, realizzata tramite la scelta di dispositivi di protezione da sovracorrente con i relativi valori nominali e parametri.

NEC 517.26 - applicazione di altri articoli: Il sistema elettrico essenziale deve rispettare i requisiti dell'Articolo 700, ad eccezione di quanto emendato dall'Articolo 517.

NEC 700.27 - coordinamento: I dispositivi di sovracorrente dei sistemi di emergenza devono essere selettivamente coordinati con tutti i dispositivi di protezione da sovracorrente associati alla fornitura.

NEC 701.18 - Coordinamento: I dispositivi di sovracorrente dei sistemi di riserva obbligatori per legge devono essere selettivamente coordinati con tutti i dispositivi di protezione da sovracorrente associati alla fornitura.

Per chiarezza, è importante includere la definizione NEC (Articolo 100) di sovracorrente e le Fine-Print Note che definiscono i sistemi di emergenza e i carichi di riserva obbligatori per legge negli Articoli 700 e 701:

Sovracorrente: qualsiasi corrente superiore alla corrente nominale dell'apparecchiatura o alla portata del conduttore. Può derivare da sovraccarico, cortocircuito o guasto di messa a terra.

Un "cortocircuito" è indicato come uno degli elementi che può causare una sovracorrente. La tipica combinazione tra un interruttore automatico scatolato e un interruttore a monte lievemente più grande di quello a valle non presenta difficoltà di coordinamento nell'area di sovraccarico della curva tempo-corrente, ma un elevato livello di corrente nell'area di cortocircuito della curva di tempo-corrente può creare notevoli problemi per il coordinamento selettivo.

NEC, Articolo 700.1, "Fine-Print Note" (FPN) N. 3: I sistemi di emergenza sono normalmente installati in aree di assemblaggio dove è richiesta l'illuminazione artificiale per l'uscita in sicurezza e le procedure antipanico. I sistemi di emergenza possono anche fornire energia per funzioni quali sistemi di ventilazione, antincendio e di allarme, ascensori, pompe da incendio, comunicazioni di sicurezza pubblica e processi industriali.

NEC, Articolo 701.2, FPN: I sistemi di riserva obbligatori per legge sono solitamente installati per supportare i carichi, come ad esempio i sistemi di riscaldamento e condizionamento, i sistemi di comunicazione, quelli di smaltimento delle acque reflue e di illuminazione, nonché i processi industriali che, se bloccati durante un'eventuale interruzione della normale fornitura elettrica, possono creare pericoli od ostacolare le operazioni di soccorso o antincendio.

Studi sugli archi elettrici

Assistiamo all'aumento delle richieste di studi sugli archi elettrici per infrastrutture critiche. La quantità dei livelli energetici degli archi elettrici che può essere prodotta in qualunque punto di un sistema di distribuzione elettrico dipende dalla quantità di corrente di guasto disponibile e dalla velocità a cui opera il dispositivo di protezione da sovracorrente.

Il calcolo degli archi elettrici determinerà la quantità di energia incidente termale a cui è possibile esporre il petto e il viso di un elettricista a distanze di lavoro. Tale livello di energia viene misurato in Joule/cm2 o calorie/cm2.

Questi calcoli sono forniti per stabilire la quantità di DPI (dispositivi di protezione individuale) necessaria per operare sull'apparecchiatura o effettuarne la manutenzione con parti del corpo esposte. La zona soggetta al pericolo di archi elettrici è il limite di distanza dalle parti in tensione esposte durante la manutenzione, il funzionamento o il collaudo. Se un elettricista non è adeguatamente protetto quando si trova in tale zona, potrebbe subire ustioni di secondo grado.

Figura 3: Questo grafico illustra l'impostazione del guasto di messa a terra per un interruttore principale da 2500 ampere e l'impostazione del guasto di messa a terra per un interruttore secondario da 400 ampere. Esiste una separazione netta tra le curve di guasto di messa a terra. Un guasto di messa a terra sull'alimentatore da 400 ampere farà scattare
Generalmente, il primo passaggio è l'esecuzione di uno studio della corrente di guasto su un progetto. In secondo luogo è necessario effettuare uno studio di coordinamento per stabilire le impostazioni ottimali dei dispositivi di protezione da sovracorrente e dei relè di protezione allo scopo di offrire il massimo livello di coordinamento selettivo. Come terzo passaggio, dopo la definizione delle impostazioni di interruttori e relè, viene eseguito lo studio sull'arco elettrico. Di conseguenza, le impostazioni che offrono la separazione ottimale tra le curve di tempo-corrente e isolano un guasto alla più piccola area possibile potrebbero in realtà causare livelli più alti di energia dell'arco elettrico.

Lo standard NEC 517-17 richiede che se gli strumenti di disconnessione del servizio sono protetti dai guasti di messa a terra, sarà necessario un passaggio aggiuntivo di protezione nel livello successivo degli strumenti di disconnessione dell'alimentatore, a valle rispetto al carico. La figura 3 è un esempio di uno studio dei guasti di messa a terra adeguatamente coordinato.

Impostazioni di guasto di messa a terra

Lo standard NEC 230-95 indica che tutti i servizi trifase 480 V da 1000 ampere e superiori devono essere installati con un relè di guasto di messa a terra. L'impostazione di tale relè non può superare i 1200 ampere, indipendentemente dalla dimensione del dispositivo di protezione da sovracorrente. In più, il ritardo non può essere maggiore di 1 secondo (60 cicli) per correnti di guasto a terra di 3000 ampere o superiori. Nelle strutture sanitarie, tra i dispositivi di guasto di messa a terra deve essere presente un relè di minimo 6 cicli (0,1 secondi).

Le impostazioni di guasto di messa a terra con valori troppo bassi o troppo accelerati per gli interruttori principali che supportano motori a valle potrebbero innescare un dispositivo principale di protezione da sovracorrente prima di attivare il dispositivo di protezione da sovracorrente magnetotermico locale durante i guasti di messa a terra in fase di avvio del motore. D'altra parte, le impostazioni di guasto di messa a terra troppo elevate possono causare danni eccessivi prima che venga interrotto un guasto di messa a terra. È importante definire un'impostazione di guasto di messa a terra che non permetterà azionamenti inopportuni, ma che proteggerà l'apparecchiatura elettrica da danni eccessivi durante un evento.

Secondo la mia esperienza, in alcuni casi non è possibile ottenere un perfetto coordinamento tra una serie di dispositivi. Un interruttore potrebbe richiedere determinate impostazioni che a loro volta influenzerebbero le impostazioni di molti altri interruttori. In alcune circostanze, i numerosi livelli di interruttori potrebbero causare la sovrapposizione delle relative curve all'interno dell'intervallo di tolleranza. In questi casi l'esperienza aiuterà l'ingegnere a prendere decisioni soggettive in merito ai compromessi per il coordinamento tra dispositivi. La progettazione alla base dell'elaborazione di studi di coordinamento di protezione non è una scienza esatta.

Spesso i progetti completati non includono uno studio dei dispositivi di protezione. In situazioni simili il produttore consegnerà gli interruttori con tutte le impostazioni configurate sul livello più sensibile. In questo modo sarà garantita la massima protezione ma aumenteranno gli azionamenti non necessari, condizione generalmente non positiva per l'affidabilità e il tempo di servizio dei sistemi. Non appena il proprietario si lamenterà per un azionamento non necessario, il personale della struttura imposterà probabilmente tutti i selettori sul livello meno sensibile. Ciò ridurrà gli azionamenti non necessari, ma potrebbe non proteggere adeguatamente il sistema elettrico e ridurne il coordinamento selettivo.

Uno studio di coordinamento è di solito richiesto per verificare che sia stato installato il sistema elettrico più affidabile. In più, esistono circostanze in cui il NEC richiede l'esecuzione di uno studio. In entrambi i casi, lo studio di coordinamento rappresenta una garanzia dal costo piuttosto contenuto per la maggior parte delle installazioni che potrebbero essere negativamente influenzate da una prolungata interruzione dell'alimentazione.


Keith Lane è presidente e CEO di Lane Coburn & Assocs. È membro del comitato consultivo editoriale Consulting-Specifying Engineer ed è stato premiato nell'ambito del programma 40 Under 40 del 2008. Lane vanta oltre 20 anni di esperienza nella progettazione, messa in servizio e ottimizzazione di strutture mission-critical.

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