Analisi Arc Flash secondo IEEE 1584-2018 e dispositivi AFDD
In generale sappiamo che le persone, i componenti elettrici fissi e i materiali, devono essere protetti contro gli effetti dannosi del calore sviluppato dai componenti elettrici, o contro gli effetti dell’irraggiamento termico. Compito del progettista è di minimizzare il rischio di danni innescati dagli impianti elettrici, e tra questi vi è il rischio di incendio innescato da guasti d’arco.
Difetti di isolamento tra i conduttori attivi o le connessioni di morsetti allentati possono generare archi in parallelo o archi in serie non rilevati dalle normali protezioni.
Normalmente è condotta un’analisi del grado di pericolosità dell’arco elettrico che può svilupparsi in un quadro elettrico, definito dal valore di Energia incidente calcolata alla distanza di lavoro. L’energia incidente determina il livello di protezione dei dispositivi di protezione personale DPI che deve indossare il personale preposto alle attività sotto tensione.
Il software Ampère e Ampère Professional nella sua versione 2023 applica i modelli di calcolo forniti dalla norma IEEE 1584-2018 per la determinazione dell’Energia incidente (E) e del Limite di Arc flash (AFB).
Il software permette inoltre la definizione di protezioni aventi la caratteristica AFDD tramite il gestore dei Dispositivi, al fine di ottenere la mitigazione del rischio.
La versione 2023 dei software di progettazione elettrica di Electro Graphics, offrono al progettista strumenti sempre aggiornati, per affrontare efficacemente le problematiche di calcolo delle reti elettriche, anche le più complesse.
Protezione contro gli effetti termici
Durante un guasto d’arco in serie, non vi è alcuna corrente di dispersione a terra, pertanto i dispositivi differenziali RCD non possono rilevare un tale guasto. Inoltre, in questo caso, l’impedenza del guasto d’arco in serie riduce la corrente di carico e la corrente resta sotto la soglia di intervento di un interruttore o di un fusibile.
Nel caso di un arco in parallelo tra la fase e il conduttore di neutro, la corrente è limitata dall’impedenza dell’impianto e dall’arco stesso, pertanto la corrente di guasto risultante potrebbe essere inferiore alla corrente di funzionamento del dispositivo di protezione contro le sovracorrenti.
In commercio esistono dispositivi in grado di rilevare i guasti d’arco (AFDD), secondo la norma di riferimento CEI EN 62606.
Dispositivi di rilevazione di guasti d’arco (AFDD)
Il software Ampère permette la definizione di protezioni aventi la caratteristica AFDD tramite il gestore dei Dispositivi. La funzione di rilevamento è normalmente affidata a un sistema elettronico inserito nella protezione che garantisce l’intervento.
Pertanto le protezioni in oggetto sono semplicemente marcate come AFDD/Arc flash, come riportato in figura.
La finestra Dispositivi permette una rapida ricerca delle protezioni AFDD grazie al relativo filtro disponibile nel riquadro Trova. La colonna Stato riporta la proprietà AFDD delle protezioni con il simbolo dello scudo per una più facile individuazione.
Proseguendo, a livello di Magliatura e di Dati utenza, le utenze aventi protezioni contro gli archi serie e parallelo sono marcate con il relativo simbolo.
Analisi Arc Flash secondo IEEE 1584-2018 con generazione etichetta di segnalazione
Gli impianti elettrici devono minimizzare e mitigare gli effetti di arco elettrico, soprattutto se generati da lavori sotto tensione, a causa di cortocircuiti innescati accidentalmente dagli operatori in prossimità di parti elettriche attive.
A livello industriale le correnti e le tensioni di guasto possono creare archi elettrici deflagranti, con proiezione di materiale fuso e radiazioni pericolose.
Normalmente è condotta un’analisi del grado di pericolosità dell’arco elettrico che può svilupparsi in un quadro elettrico, definito dal valore di Energia incidente calcolata alla distanza di lavoro. L’energia incidente determina il livello di protezione dei dispositivi di protezione personale PPE che deve indossare il personale preposto alle attività sotto tensione.
Altre iniziative di mitigazione del rischio riguardano la scelta di apparecchiature e di sistemi adeguati, come interruttori con limitazione della corrente di guasto e sensori di luce da arc flash predisposti a interrompere velocemente l’alimentazione.
Il software Ampère 2023 applica i modelli di calcolo forniti dalla norma IEEE 1584-2018 per la determinazione dell’Energia incidente (E) e del Limite di Arc flash (AFB).
La tabella qui riportata lega i valori di Energia incidente con il livello dei dispositivi di protezione individuale richiesti.
La definizione di Limite di Arc flash è presa dallo Standard NFPA 70E: la distanza dal punto in cui si verifica l’Arc flash e alla quale sicuramente non si hanno ustioni fatali (3° grado) e con una probabilità del 50% che si possano verificare ustioni di 2° grado. Se l’energia radiata si riduce a 1,2 cal/cm2 (5 J/cm2) non sono necessari DPI per Arc Flash.
I valori forniti dalla norma sono l’interpolazione dei risultati ottenuti da test effettuati su tre quadri tipici, con tensioni di lavoro rispettivamente pari a 600, 2700 e 14300 V.
Limiti di validità
L’ambito di utilizzo principale del calcolo prevede tensioni di alimentazione concatenate da 208 V a 15000 V. I circuiti devono essere in corrente alternata con frequenze di lavoro di 50 o 60 Hz.
Le correnti per guasto franco devono avere valori compresi tra:
• da 208 V a 600 V: 500 A a 106000 A;
• da 601 V a 15000 V: 200 A a 65000 A.
La distanza tra conduttori, sempre per intervalli diversi di tensione:
• da 208 V a 600 V: 6.35 mm a 76.2 mm;
• da 601 V a 15000 V: 19.05 mm a 254 mm.
Le dimensioni dei quadri elettrici hanno i seguenti limiti:
• Massima altezza e larghezza 1244.6 mm;
• Massima area di apertura 1.549 m2;
• La larghezza deve essere almeno 4 volte la distanza tra conduttori.
Fondamentale nel calcolo è la variabile tempo, ovvero la durata dell’arco. È calcolato il tempo di apertura delle protezioni alla corrente di arco Iarc, cui sono aggiunti 0.05 secondi per il tempo di apertura minimo non ritardato.
Va detto che la norma calcola l’Energia incidente (E) come la maggiore di due scenari, nei quali si considerano due valori di corrente d’arco, uno nominale e uno ridotto.
La riduzione di corrente può influire sui tempi di apertura, comportando un risultato finale maggiore di quello a piena corrente.
Calcolo di Arc flash
Analizziamo lo strumento offerto dal software per il calcolo dell’Energia incidente all’interno dei quadri.
Occorre entrare nella finestra Modifica dati quadro, e scegliere il pannello Arc-Flash Hazard.
La finestra (figura precedente) va utilizzata come ‘calcolatrice’ per verificare il livello di pericolo di un quadro nel suo insieme, o di un’utenza in particolare. Caso particolare può essere un quadro contenente più Celle MT/AT, per le quali può essere necessario eseguire una verifica puntuale. Tali utenze sono evidenziate nella lista tramite un suffisso [Cella MT/AT] a fianco del nome.
Utenza di riferimento per il calcolo
Il riquadro permette di scegliere una tra le utenze appartenenti al quadro, oppure con il comando Trova guasto maggiore nel quadro, il software propone l’utenza più pericolosa.
È visualizzata la tensione di lavoro e la corrente di guasto utilizzata. La norma IEEE 1584 privilegia le correnti di guasto trifasi, anche se non sono il caso peggiore tra i guasti. Per circuiti monofasi o bifasi, il software utilizza la corrente di guasto Ikm max.
Il riquadro fornisce anche informazioni relative all’impossibilità di eseguire i calcoli come:
• Utenza non alimentata;
• Corrente di guasto nulla;
• Tensione inferiore a 208 V;
• Tensione maggiore a 15 kV;
• Frequenza di lavoro diversa da 50 o 60 Hz;
• Corrente di guasto maggiore di 106 kA (per tensioni inferiori a 600 V);
• Corrente di guasto maggiore di 65 kA (per tensioni superiori a 600 V);
• Larghezza quadro inferiore a 4 volte la distanza tra gli elettrodi.
Proprietà quadro per Arc Flash
Nel riquadro si può inserire la Distanza di lavoro e tre proprietà del quadro.
L’Energia incidente, quindi il livello di pericolosità dell’arco elettrico, è calcolata alla distanza presunta di lavoro dell’operatore. Essendo un valore presunto e teorico, la finestra consente un’analisi a diverse distanze suggerite dalla norma, fornendo una serie di quattro valori di energia e i corrispondenti livelli di PPE richiesti.
Segue la Configurazione degli elettrodi, una tra:
• VCB: Elettrodi verticali in un quadro;
• VCBB: Elettrodi verticali con barriera isolante in un quadro;
• HCB: Elettrodi orizzontali in un quadro;
• VOA: Elettrodi verticali in aria aperta;
• HOA: Elettrodi orizzontali in aria aperta.
La Distanza tra gli elettrodi va scelta considerando che la tensione di lavoro impone un intervallo di valori accettati, come suggerito dal commento sotto il comando.
Infine, le dimensioni del quadro completano le informazioni ‘fisiche’. Se la carpenteria del quadro è già inserita, le dimensioni sono riportate in automatico dal software.
Attenzione. Per Celle MT/AT, gestite come singole utenze, potrebbe essere necessario inserire le dimensioni proprie della singola cella, invece del quadro d’insieme.
Risultati con Iarc al 100%
Il riquadro riporta i calcoli relativi al primo scenario con piena corrente d’arco.
Essa determina i tempi di apertura della protezione, che è individuata dal software a monte dell’utenza di riferimento.
Il Limite di Arc Flash (AFB) è la distanza ove si prevede un’Energia incidente di 5 J/cm2, prima soglia oltre la quale è richiesto un grado di protezione personale pari a uno.
Infine è presente la tabella con le distanze, le energie incidenti e i livelli corrispondenti di protezione, espressi in [mm]/[in] e [J]/[cal], unità di misura personalizzabili.
Risultati con Iarc ridotta
Il riquadro riporta i calcoli relativi al secondo scenario con corrente d’arco ridotta.
Le correnti di guasto che possono svilupparsi in un quadro possiedono un intervallo di valori dovuti alle condizioni esterne che influenzano il guasto, come la temperatura di lavoro e la tensione di alimentazione.
Pertanto, al paragrafo 4.5, la norma IEEE 1584 fornisce l’equazione per calcolare i valori ridotti di corrente d’arco. Come già accennato, è importante perché potrebbe aumentare il Tempo d’arco T di un valore tale da fornire un risultato finale di Energia incidente maggiore rispetto a quello a piena corrente.
Stampa dei risultati
La finestra, da ultimo, permette la stampa dei risultati dei calcoli eseguiti applicando la norma IEEE 1584, principalmente per realizzare etichette di avviso del pericolo di arco elettrico da applicare sui fronti quadro.
Il software fornisce alcuni modelli, come riportato in figura, e anche la possibilità di crearne di personalizzati tramite il gestore Edita modelli.
Nota. Tra i modelli proposti dal software, quello denominato Arc Flash (model) propone tutte le etichette commentate, utile come base di partenza per eventuali documenti personalizzati relativi allo studio dell’arco elettrico.
Strumentazione per mitigare gli effetti da arco elettrico
Esistono in commercio apparecchiature che aiutano a proteggere gli impianti dagli effetti da arco elettrico agendo sulla corrente di guasto e sui tempi di intervento delle protezioni.
Scegliere protezioni con capacità di limitazione delle correnti di guasto è un metodo ampliamente utilizzato, considerando i benefici anche in termini di sforzi elettrodinamici dovuti alle correnti di guasto.
Un’altra via riguarda l’utilizzo di apparecchiature capaci di rilevare l’arco elettrico nei quadri e di comandare le protezioni in alternativa ai comandi propri dei relè di sgancio.
Normalmente si tratta di sistemi aventi una serie di fotosensori installati in diversi punti del quadro e collegati a una centralina di controllo, la quale invia il segnale alla protezione. I tempi di intervento sono notevolmente inferiori ai normali tempi di intervento dei relè, abbassando la variabile Tempo d’arco T che influenza il valore finale dell’Energia incidente.
Questa tipologia di apparecchi, e tutti quelli con finalità equivalente, può essere gestita con il software Ampère tramite la gestione degli Ausiliari associati alle protezioni.
In particolare, il materiale dedicato alla problematica dell’arco elettrico deve essere classificato negli Archivi Materiali con la Famiglia impostata su FF Accessori Arc Flash.
Pertanto, similmente alle apparecchiature AFDD, il software controlla se tra gli ausiliari associati a un’utenza, ve n’è almeno uno con famiglia FF Accessori Arc Flash e marca l’utenza come riportato in figura.
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