Giuseppe Cafaro, Politecnico di Bari

La quarta rivoluzione industriale ha, più che nel passato, un impatto su ogni attività produttiva, sull’organizzazione economica e sociale, sulla collettività e, persino, sulle abitudini quotidiane di ognuno di noi. Non c’è oggi alcun sostantivo a cui non si aggiunga 4.0. Pertanto da industria 4.0 si è passati ad Impresa 4.0, a Sanità 4.0, a Pubblica Amministrazione 4.0 ed a questo punto non ci sono più limiti ad una fantasia destinata, ineluttabilmente e precipitosamente, a diventare realtà.

È inevitabile quindi porsi la domanda su quali siano le caratteristiche dell’impianto elettrico rispondente alle esigenze dell’utenza 4.0, soprattutto se corrisponde a quella di soggetto titolare di reddito d’impresa. Soggetti, questi, che godono degli incentivi derivanti dall’iperammortamento partito nel 2017 e che perdurerà per tutto il 2019.

Due caratteristiche centrali del 4.0 sono i “big data” e “internet delle cose”. Da un lato, quindi, la disponibilità di un gran numero di dati e dall’altro la disponibilità di una intelligenza distribuita, e coordinata, che è in grado di mettere a disposizione dati ma anche di trattarli, utilizzarli e indirizzarli nella giusta direzione evitando che l’uomo ne sia sommerso. All’uomo restano le fasi più qualificate e qualificanti della gestione dei dati: quelle decisionali di più alto livello.

L’impianto elettrico, quindi, non può non avere un livello di qualità conforme al 4.0 e cioè deve essere esso stesso del tipo 4.0, dotato quindi delle due caratteristiche del big data e dell’internet delle cose. Ma ancor prima esiste un livello di prestazioni “elettriche” che deve essere adeguato. La domanda, in buona sostanza, è: quali caratteristiche costruttive e funzionali deve avere l’impianto elettrico a servizio dell’azienda 4.0 affinché sia in grado di non degradare le prestazioni di quest’ultima? Quali sono gli aspetti più importanti da curare nella progettazione ed installazione di un impianto elettrico moderno? Ne scaturisce quindi una terza di domanda: quali sono gli strumenti normativi che possono ispirare le attività di progettazione e costruzione di impianti utilizzatori al passo con i tempi?

Il nuovo sistema produttivo deve essere caratterizzato da flessibilità tale da adeguare velocemente il prodotto alle esigenze di mercato, qualità del prodotto controllata dinamicamente durante il ciclo di lavorazione, velocità di produzione, competitività del prodotto e quindi una maggiore produttività che si basa anche sulla continuità del servizio e sull’efficiente utilizzo dell’energia e delle materie prime. Si enucleano così alcune parole chiave che sono continuità, qualità e sostenibilità ambientale che devono caratterizzare anche e soprattutto l’impianto elettrico utilizzatore.

Ogni attività di progettazione degli impianti elettrici nasce dall’analisi dei carichi di cui, da sempre, l’impiantista deve garantire la continuità e qualità dell’alimentazione.

Nel corso degli anni, però, la tipologia dei carichi è variata e con essa il livello della continuità e qualità del servizio richiesta.

Il carico elettrico dell’azienda moderna, non necessariamente 4.0, è caratterizzato da una diffusione di carichi elettronici estremamente sensibili alla qualità della tensione e da una estensione della rete dati pari se non superiore a quella di potenza. Inoltre, non secondaria è la considerazione che persino il termine “impianto elettrico utilizzatore” sembra oramai superato. Oggi infatti è più corretto pensare ad un utilizzatore che sia, contemporaneamente, produttore di energia elettrica e, quindi, parliamo di un impianto “prosuming”. Le evoluzioni internazionali della Norma CEI 64-8/8, già in atto, prefigurano questa consapevolezza.

Il progettista dell’impianto elettrico a servizio di un’azienda 4.0, quindi, non può non porsi il problema della continuità del servizio e della qualità della tensione.

L’energia elettrica è un prodotto, per la Comunità Europea l’energia è merce, liberamente circolabile, dotata di determinate caratteristiche, ovvero di qualità.

La Norma CEI EN 50160 definisce le caratteristiche della tensione fornita dalle reti pubbliche di distribuzione dell’energia elettrica distinguendo tra “eventi di tensione” e “fenomeni continui”. Non potendoci dilungare in questa sede sul merito dei diversi eventi e fenomeni, si rimanda all’elencazione delle Figure 1 e 2 e ad una attenta lettura della norma per una loro più approfondita comprensione.

Diciamo soltanto che per “eventi di tensione” si intendono quelle deviazioni improvvise e significative dalla forma d’onda normale o desiderata. Essi si verificano generalmente a causa di eventi imprevedibili, cioè guasti, o di fattori esterni quali condizioni climatiche, azioni di terze parti e così via. Per “fenomeni continui” si intendono deviazioni dal valore nominale che si verificano in modo continuo nel tempo. Tali fenomeni si verificano principalmente a causa del tipo di carico, delle variazioni del carico, o della generazione, o delle non linearità dei carichi.

Soprattutto i carichi elettronici sono sensibili a tali fenomeni, tant’è che esiste, e non da oggi, una netta percezione da parte degli utenti almeno in riferimento alle conseguenze ed ai costi. Le indagini svolte presso i settori dell’industria, dei servizi e dei trasporti hanno evidenziato la effettiva sensibilità dei carichi elettronici, ma anche dei carichi tradizionali, ai cosiddetti fenomeni di Power Quality ed una accertata conseguenza di costi derivanti soprattutto dai danni causati da “buchi di tensione”, da “interruzioni brevi” e da “sovratensioni”. Meno ampi dell’immaginabile o del prevedibile sono i danni derivanti dalle interruzioni lunghe.

Vale la pena di sottolineare che appare meno diffusa la coscienza che gli eventi di tensione spesso hanno un impatto non immediatamente percepibile, ma in ogni caso consistente, sull’efficienza energetica. Non a caso la CEI 64-8/8 sottolinea la necessità di monitorare il THD, leggi inquinamento armonico, al fine di migliorare l’efficienza energetica dell’impianto elettrico.

La guida all’applicazione della Norma Europea EN 50160, la CLC/TR 50422, una delle poche guide europee a livello CENELEC, richiama l’attenzione sul fatto che la norma sulla caratteristica della tensione delle reti pubbliche ricade nel più vasto argomento della Compatibilità Elettromagnetica (EMC), trattato dalle norme della serie 61000.

Tra di esse significativa, per chi volesse considerare la EMC in ambito industriale, è la CEI EN 61000-2-4 che ha per oggetto i “livelli di compatibilità per disturbi condotti in bassa frequenza negli impianti industriali”. Da tale norma appare chiaro che si hanno, ai fini della EMC, delle condizioni al punto di consegna (PCC) ed altre in prossimità del carico (IPC). Ogni carico ha quindi un livello di immunità ai disturbi elettromagnetici ed ha, esso stesso, un livello di emissione di disturbi.

Poiché la continuità dell’attività aziendale, e la stessa qualità del prodotto, dipendono dalla continuità del servizio elettrico e dalla qualità della tensione, il progettista deve prendere coscienza della caratteristica della tensione al punto di consegna, prevedendo, se necessario, opere di mitigazione degli eventi accettabili.

Si ricorda che la qualità del servizio elettrico è soggetta a regolazione e controllo da parte dell’Autorità di Regolazione per Energia Reti e Ambiente (ARERA). Dati quali le interruzioni, in numero e durata, sono non solo imposti come standard qualitativo ai distributori, ma sono anche registrati e resi disponibili ai clienti. Così come i buchi di tensione, estremamente dannosi alla funzionalità di molti sistemi di controllo delle linee produttive, sono registrati, classificati in ampiezza e profondità ed infine resi disponibili almeno in riferimento alla semisbarra di cabina primaria che alimenta gli utenti in Media Tensione.

Si ricorda, inoltre, che l’Autorità impone ai distributori di installare i misuratori di PQ su richiesta dell’utente e di concordare con l’utente, qualora questi lo richieda, dei contratti di qualità in cui i contraenti stabiliscono il numero e l’entità degli eventi (interruzioni, buchi, ecc.) e gli standard della tensione (armoniche, variazioni di tensione, ecc.).

Ovviamente, in tal caso ha notevole importanza la corretta definizione del controllo dell’osservanza del contratto e delle relative penali in casi di inadempienza. Il consulente confronterà il costo del contratto con il costo dei provvedimenti di mitigazione da prendere a valle del punto di consegna (auto produzione, gruppi di continuità statici o rotanti, filtri, ecc.). Deciderà, quindi, se procedere con una soluzione esterna, il contratto di qualità, o con una soluzione interna, opere di mitigazione. In ogni caso, è buona procedura aziendale procedere all’acquisto di macchine di produzione seguendo l’indicazione della Norma CEI EN 60204-1, che ha per oggetto l’equipaggiamento elettrico delle macchine.

Questa norma prevede la compilazione di un questionario, che precede la fornitura della macchina, in cui si definiscono le diverse specifiche che influenzano il funzionamento della stessa. Tra esse vi sono “le alimentazioni elettriche e le relative condizioni” e “l’ambiente elettromagnetico”. In definitiva, avere macchine elettricamente immuni ai disturbi risolverebbe a monte un notevole numero di problemi. Ma per quanto si possa migliorare l’ambiente elettromagnetico esiste in ogni caso il problema delle interruzioni dovute ai guasti. Una buona qualità progettuale e realizzativa dell’impianto elettrico è sicuramente in grado di ridurre l’evento “guasto” e, soprattutto, è in grado di ridurre l’estensione nel tempo e nello spazio delle conseguenze di tale evento.

Tralasciamo per il momento l’aspetto costruttivo dell’impianto elettrico, non perché meno importante, ma perché richiederebbe un’ampia disquisizione sulle tecnologie, le qualifiche di chi opera ed infine il controllo e la certificazione finale dei lavori di realizzazione. Servirebbe andare oltre il concetto di sicurezza che ha guidato la Legge 46/90 prima e la Legge 37/08 poi.

A tal proposito, è importante sottolineare come le norme CEI, nel contesto europeo e mondiale, hanno già fatto questo passo, prima estendendo il concetto di sicurezza e poi passando a normare gli aspetti prestazionali degli impianti elettrici.

Il progettista, quindi, deve esaminare anche gli aspetti affidabilistici dell’impianto che va a progettare, utilizzando soluzioni che abbassano la frequenza di guasto e riducono i tempi di ripristino del servizio.

La riduzione degli eventi di tensione, ed in particolare dei buchi di tensione, è strettamente legato ad un lay-out distributivo che migliori la selettività orizzontale e verticale delle protezioni e ad un corretto dimensionamento delle protezioni e taratura dei relais che ne comandano l’intervento.

La selettività nasce già a livello di connessione alla rete elettrica pubblica, soprattutto per la media tensione. È noto, in tal caso, che la Norma CEI 0-16, approvata dall’Autorità come regola tecnica di connessione, prevede che l’utente disponga all’inizio del suo impianto di un Dispositivo Generale (DG) e di un Sistema di Protezione Generale (SPG) che garantiscano il distacco dell’impianto d’utente per guasti interni prima dell’intervento della protezione del distributore. Questa selettività garantisce la riduzione delle interruzioni agli altri utenti e la riduzione dei buchi di tensione, almeno in durata, per gli altri utenti. Tale selettività verso la protezione del distributore, che chiameremo “esterna”, mette in crisi la selettività “interna” tra interruttori in cascata sulla rete MT d’utente. Infatti la CEI 0-16, ovvero l’Autorità, richiede che la protezione per corto circuito sia tarata per l’estinzione del guasto entro 120 ms.

La Guida CEI 99-4, avente per oggetto l’esecuzione delle cabine elettriche d’utente MT/BT, affronta il problema delle protezioni in MT richiamando l’attenzione sulla possibilità di adottare la comunicazione di informazioni tra protezioni, la selettività logica, per ridurre in maniera decisa i problemi di selettività. Ma bisogna ricordare che le regole tecniche di connessione consentono in taluni casi di poter revisionare i tempi di intervento con il distributore.

In particolare, la presenza di un trasformatore intermedio consente di adottare, in accordo con il distributore, l’aumento dei tempi di estinzione del guasto. Si rammenta che tra i benefici del trasformatore intermedio, di opportuno gruppo, vi sono la sconnessione della rete alla sequenza omopolare, con benefici per la protezione da guasti verso terra, e la riduzione della corrente da corto circuito a valle.

I trasformatori con efficienza europea riducono l’impatto energetico derivante da una macchina che trasforma l’intera energia elettrica dell’utente.

Infine, non deve essere sottovalutata la scelta del doppio DG prevista dalla CEI 0-16. Tale scelta si accoppia felicemente con una distribuzione doppio radiale (Figure 3 e 4). I guasti interni alla rete, anche in assenza di selettività verticale interna, impattano solo su di una parte dell’utenza ed i tempi di ripristino del servizio, che consistono nel passare alcune cabine dalla radiale guasta a quella sana, sono velocissimi.

Ma le interruzioni del servizio sono dovute, talvolta, ad esigenze manutentive sia che si tratti di “manutenzione preventiva” sia che tratti di “manutenzione correttiva a guasto”.

La manutenzione del 4.0 è la manutenzione controllata. Questa è un metodo che permette di assicurare una qualità del servizio desiderata mediante l’applicazione sistematica di tecniche di analisi che usano mezzi di supervisione centralizzata e/o un campionamento per minimizzare la manutenzione preventiva e ridurre la manutenzione correttiva.

È ovvio che tale procedura manutentiva è possibile solo se l’impianto elettrico è monitorato e se lo sono anche i suoi componenti principali. È la classica applicazione di internet delle cose. Interruttori, linee, trasformatori, gruppi elettrogeni sono dotati di sensori che rilevano lo stato di una intelligenza di bordo e di una interconnessione all’intero sistema, che a sua volta effettua un secondo livello di elaborazione ed indirizza a chi di dovere gli “alert” che attivano la procedura di manutenzione preventiva.

Va sottolineato, con forza, che non parliamo di un futuro più o meno ipotetico ma di sistemi e componenti già oggi disponibili sul mercato. Peraltro, qualunque sistema o componente avente tali caratteristiche può rientrare tra quelli che godono dell’iperammortamento.

Tutto quello che abbiamo sin qui analizzato sembrerebbe indicare che solo i grandi impianti industriali sono interessati dalle problematiche sin qui analizzate. Ovviamente tale convincimento è inesatto: tali problematiche interessano anche i piccoli impianti, quali quelli connessi alla rete pubblica di bassa tensione. Cartina di tornasole di tale convincimento è la consistenza della Norma CEI 64-8 sui temi che fin qui abbiamo trattato.

Anche la CEI 64-8, e non da oggi, esamina gli aspetti connessi alla compatibilità elettromagnetica, all’affidabilità, alla selettività delle protezioni ed alla efficienza energetica.

Nella Parte terza della citata norma, dedicata alle caratteristiche generali si parla di compatibilità elettromagnetica e si rammenta che deve essere fatta una valutazione di tutte quelle caratteristiche dei componenti elettrici che siano tali da avere effetti nocivi sugli altri componenti elettrici o sugli altri servizi o che siano tali da pregiudicare il funzionamento della sorgente di alimentazione.

Tutte le apparecchiature devono soddisfare le prescrizioni di compatibilità elettromagnetica (EMC) appropriate e devono essere conformi alle relative norme sulla EMC. Dopo questa premessa, la norma indica al progettista ed al costruttore degli impianti elettrici di tener conto delle misure di riduzione dell’effetto dei disturbi delle tensioni indotte e delle interferenze elettromagnetiche (EMI). I provvedimenti costruttivi più importanti sono poi esaminati ed indicati nella Sezione 444 della medesima norma.

Rinviando, al solito, ad una attenta lettura della norma, di seguito si riportano sinteticamente i principali interventi esaminati dalla Sezione 444:

1. limitatori di sovratensione e/o filtri;
2. guaine conduttrici collegate alla rete EQP;
3. evitare spire ampie verso terra scegliendo percorsi comuni per i conduttori dei circuiti e PE;
4. separazione dei cavi di segnale e di energia con incroci ad angolo retto;
5. utilizzare cavi con conduttori concentrici;
6. cavi simmetrici multipolari per collegare inverter e motori con controllo di frequenza;
7. indicazioni del costruttore relative ai requisiti EMC dei cavi di segnale;
8. in presenza di LPS valutare la «s» (CEI EN 62305-3);
9. cavi di segnale comuni a più edifici TT: EQP da 16 mm²; 10. EQP più corti possibile e forma che porti ad una bassa reattanza.

La Variante 3 alla CEI 64-8, promulgata circa un anno fa, contiene l’introduzione del corposo Capitolo 57 avente come oggetto il “Coordinamento dei dispositivi di protezione, sezionamento, manovra e comando”.

Nell’ambito di questo capitolo viene introdotto il concetto di continuità del servizio, definita come qualità di un impianto espressa dal fatto che il funzionamento di un sistema elettrico si avvicini allo “stato ideale di assenza di interruzione, oppure dal fatto che il funzionamento del sistema elettrico riduca l’interruzione di alimentazione grazie al coordinamento dei dispositivi elettrici”.

Il coordinamento è inteso come il modo corretto di scegliere i dispositivi elettrici in serie per assicurare la sicurezza e la continuità di servizio dell’impianto, tenendo conto della protezione contro cortocircuiti e/o della protezione contro i sovraccarichi e/o della selettività.

Infine la selettività è definita come il coordinamento delle caratteristiche di funzionamento di due o più dispositivi di protezione tale che, in presenza di sovracorrenti o correnti differenziali entro i limiti specificati, il dispositivo destinato ad operare entro questi limiti intervenga, mentre il o gli altri non intervengano. Il concetto di continuità del servizio e di selettività assume anche per gli impianti a tensione nominale inferiore a 1000 V in alternata e 1500 V in continua, un’importanza fondamentale. Ciò già a partire dal punto di consegna, posto che la Norma CEI 0-21, anch’essa documento fatto proprio dall’Autorità, consente di disporre a valle del contatore ben tre DG, a favore di una selettività orizzontale.

Quindi, qualità e continuità sono caratteristiche estese anche all’impianto d’utente in bassa tensione. Si era sottolineato che una delle parole chiave della quarta rivoluzione industriale riguardava la sostenibilità ambientale e, in questo ambito, l’efficienza energetica.

È noto a tutti che la promulgazione della Norma CEI 64-8/8-1, come parte ottava della 64-8, ha come obiettivo proprio l’efficienza energetica degli impianti elettrici utilizzatori. A tale norma il CEI ha dedicato diversi incontri formativi ed informativi e, quindi, si ritiene sia già sufficientemente nota agli operatori del settore elettrico.

È da notare che la Parte ottava va incontro ad evoluzioni importanti. Oltre alla revisione della Parte 8-1, già citata, si prevede la realizzazione di altre due Parti specificatamente rivolte ad un moderno impianto elettrico utilizzatore. In queste ulteriori due Parti, ancora in stato embrionale, ritroviamo termini quale “fuori servizio della rete pubblica”, “smart grid”, “accumulo”, “sistemi di gestione dell’energia elettrica”, “smart distribution panel”.

Insomma, si prefigura una evoluzione normativa in direzione dell’impianto elettrico di un domani che, potremmo dire, è già oggi, in una direzione, che è già presente nelle attuali norme.

La diffusione di impianti dotati di sistemi di monitoraggio e controllo finalizzati all’efficienza energetica ed alla manutenzione controllata, apre la strada alla gestione dinamica degli impianti elettrici utilizzatori in maniera tale da rendere, per esempio, i cambi schemi temporalmente meno onerosi, automatizzando non solo le manovre ma anche un settaggio delle protezioni corrispondenti allo schema adottato. Si determinerebbe, con ciò, un migliore utilizzo dell’impianto ed una riduzione dei tempi di ripristino del servizio dopo guasto.

Insomma, il futuro è oggi e la consistenza e qualità delle norme CEI ne è la testimonianza.