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QUADRI DI AUTOMAZIONE E DISTRIBUZIONE

16/10/2018
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Stato dell’arte attuale, sviluppi normativi in corso e futuri.

Vincenzo Matera (Segretario CEI/CT 44)

 

Nel parallelo normativo tra le apparecchiature di comando in genere chiamati “quadri di automazione” dell’equipaggiamento elettrico delle macchine e le apparecchiature di protezione e di manovra (“quadri di distribuzione”) degli impianti elettrici, esistono alcune sovrapposizioni che richiedono un’attenta analisi per progettare, costruire e verificare un quadro elettrico conforme alla regola dell’arte nel caso in cui scelga il percorso normativo che ne attiva automaticamente la presunzione di conformità.

Ci riferiamo al binomio esistente, e ad alcuni orientamenti sugli scenari normativi futuri, tra:

 

Termini e campo di applicazione

Le definizioni proprie di quadro elettrico di automazione e di distribuzione sono indicate nelle rispettive norme. Parlare di “QE AUTOMAZIONE” applicati alle sole macchine può sembrare oggi riduttivo.

Ci sono i quadri elettrici dei sistemi di controllo dei processi industriali, c’è la domotica, la smart manufacturing e ci sono le tecnologie innovative rientranti nel paradigma Industria 4.0 che abbracciano ampiamente i criteri costruttivi dei quadri di automazione.

Proprio nell’Industria 4.0, la possibilità di interconnettere il processo e gli impianti per realizzare sistemi di telemanutenzione e/o telediagnosi, esempi non limitativi di caratteristiche tecniche richieste per ottenere i benefici fiscali, farà sì che i quadri elettrici nei vari campi applicativi subiranno sostanziali modifiche e ampliamenti per integrare apparati e componenti dei sistemi di comunicazione (sistemi bus), per es. gateway, CPU o PLC, schede I/O, ecc.

Il confine tra i quadri di macchine e impianti è essenziale per individuare la legislazione e normativa applicabile.

La Norma IEC 60204-1 consente di usare la serie IEC 61439 per i quadri di automazione dell’equipaggiamento elettrico e le attuali Parte 1 e 2 della Norma IEC (CEI EN) 61439, anche nella futura ed. 3 in discussione in ambito IEC, si possono applicare ai quadri di automazione purché siano conformi alle altre specifiche prescrizioni corrispondenti della Norma IEC 60204-1.

Questa duplice facoltà è assai comoda ma crea indirettamente qualche commistione di intenti sui quali emerge il dovere di sapere quando applico una o l’altra Norma, per quali parti e quali altre specifiche prescrizioni.

In merito alla legislazione tecnica, per l’equipaggiamento elettrico delle macchine non si applica il DM 37/2008 e s.m.i., bensì le Direttive comunitarie, principalmente:

  • 2006/42/CE (Macchine);
  • 2014/35/UE (Direttiva Bassa Tensione);
  • 2014/30/UE (Compatibilità Elettromagnetica) intesa come corretta funzionalità di apparecchi e impianti (emissione e immunità) e non come esposizione umana a tali interferenze.

A queste, si possono aggiungere altre possibili Direttive, come per esempio la 2014/34/UE qualora ci si trovi in ambienti con atmosfere esplosive per la presenza di gas, vapori o polveri infiammabili.

 

Quadri di automazione, componenti e confine impianto/macchina

I quadri di automazione sono parte – componenti – dell’equipaggiamento elettrico di una macchina così come lo sono i PDS (Power Drive System), i BDM (Basic Drive Modul), i CDM (Control Drive Modul), ovvero  gli azionamenti elettrici a velocità variabile assemblati al loro interno e conformi alle specifiche norme di prodotto (serie IEC e CEI EN 61800).

Per analogia con l’art. 11.5 della Norma CEI 64-8/1, è condivisibile trattarli solo per quanto riguarda la loro scelta e la loro applicazione.

La conferma che il quadro di automazione sia un componente dell’equipaggiamento elettrico delle macchine lo si desume dall’art. 3.1.25 della Norma IEC 60204-1 a cui si rimanda.

Al proprio interno ha sede il dispositivo generale di sezionamento, i cui tipi costruttivamente riconosciuti idonei (Figura 1) segnano senza dubbio il confine tra impianto elettrico e macchina.

Figura 1 – Tipi di dispositivi (art. 5.3.2 IEC 60204-1).

 

Progettazione e costruzione del quadro di automazione

Come affronta la IEC 60204-1 la progettazione e costruzione del quadro di automazione?

L’art.4.2.1 consente di scegliere componenti e dispositivi conformi alle relative Norme IEC qualora disponibili e concede “in aggiunta” (art. 4.2.2), di scegliere parti dell’equipaggiamento elettrico della macchina che sono conformi con le relative parti della serie IEC 61439 (Allegato F).

L’art. 4.2.2 ha cambiato il titolo: da “Equipaggiamento elettrico conforme alla serie IEC 60439” a Switchge- ar”; come dire che, per la sezione di potenza posso fare riferimento alla serie di Norme IEC 61439-2 men- tre per il comando “Controlgear” è affare della IEC 60204-1.

Il richiamo all’Allegato F, sovente trascurato perché forse informativo, può aiutare a identificare le opzioni applicative per una macchina specifica e fornire riferimenti ad altre norme corrispondenti.

Nella tabella F.1 tale opportunità è anche confermata attraverso la colonna (i) dove non trovo nulla sulla scelta delle misure indicate, contrariamente all’esistenza di prescrizioni supplementari (colonna ii), anche diverse (colonna iii) e all’esistenza di riferimenti normativi eventualmente rilevanti (colonna iv).

L’Allegato F chiarisce che un semplice riferimento senza alcuna precisazione all’intera Norma IEC 60204-1 non è pertanto sufficiente.

Diventa così indispensabile documentare quali opzioni vengono scelte.

Le norme in questione sono armonizzate ed attivano la presunzione di conformità alla regola dell’arte. L’attuale EN 60204-1 è armonizzata ai sensi delle Direttive Macchine e Bassa Tensione, così come lo sarà a breve la prossima edizione con qualche modifica rispetto alla equivalente IEC, ed è una Norma di tipo B applicabile ad una vasta tipologia di macchine.

Le Norme EN 61439-1 e 2 sono armonizzate per le Direttive Bassa Tensione e Compatibilità elettromagnetica (vale anche per le Parti 3, 4, 5 e 6).

Applicare i requisiti della serie EN 61439 per la compatibilità EMC fa sì che il quadro di automazione sia conforme a tre direttive comunitarie e non solo a due.

Abbiamo quindi la necessità di sapere quale delle due norme è prioritaria per i quadri di automazione, quali sono le parti differenti tra le due norme, quali parti sono tra loro in contrasto per far prevalere l’una sull’altra e quali parti, infine, possono essere ritenute complementari.

Per gli obiettivi che queste norme si pongono e, in genere, per far fronte ad ogni contratto di fornitura è indispensabile un intenso scambio di informazioni tra costruttore ed utilizzatore.

A tale scopo, per la raccolta dei dati può essere utilizzato il questionario riportato nell’Allegato B informativo della Norma IEC 60204-1.

L’Allegato B non è esaustivo perché tocca i punti più importanti rivolti prevalentemente alla sicurezza e alla facile manutenzione.

Nella Norma IEC (CEI EN) 61439-2, gli argomenti soggetti ad accordo tra il costruttore del quadro di “distribuzione” e l’utilizzatore per una maggior chiarezza, trasparenza dei rapporti e limiti della fornitura sono invece raccolti nell’Allegato BB informativo.

 

Normativa applicabile, sovrapposizioni e prescrizioni generiche

Per un quadro di automazione la Norma IEC 60204-1 potrebbe essere stand alone e nell’ipotesi in cui non esistano norme di tipo C (norme specifiche e prioritarie rispetto alle norme di tipo A e B per determinate famiglie di macchine che possono fornire specifici requisiti) è certamente prioritaria rispetto alle norme sui quadri di distribuzione.

A supporto di questa tesi c’è anche il parere congiunto tra il Comitato CEI CT 44 e il SC 121B scaricabile nel sito web CEI nella sezione quesiti.

Per avere conferma in ambito internazionale di tale priorità e cercare un allineamento e soluzioni alla nota sovrapposizione, l’argomento fu portato in sede IEC dove si costituì tra il SC 121b e il TC 44 IEC il Join Working Group 18.

Il JWG 18 nel 2016 concluse i lavori con due documenti che supportarono la condivisa interpretazione italiana e individuarono le sovrapposizioni.

E con questi presupposti propose una nuova Parte 8 della serie IEC 61439 espressamente dedicata ai quadri di comando e controllo delle macchine (Quadri di automazione).

L’esito finale non fu questo, ma si convertì in un resoconto utile per ogni rispettivo Comitato al fine di valutare future modifiche dei testi normativi; modifiche, queste, già in atto nelle rispettive normative.

Alcuni esempi di sovrapposizioni tra la Norma IEC (CEI EN) 61439-2 e la IEC 60204-1 si riscontrano:

  • nello scopo, dove è opportuno specificare che i BDM, PDS, CDM devono essere considerati solo per i loro aspetti di cablaggio interno al quadro; presupposto già previsto nella edizione 3 della IEC 61439-1 in discussione;
  • nella temperatura dell’aria ambiente per installazioni all’interno. Da -5 °C a +40 °C con una media 24 h di +35 °C per la IEC 61439-1 e +5 °C…+40 °C per la IEC 60204-1;
  • nel morsetto per la connessione all’impianto di protezione esterno di messa a terra e i terminali per conduttori esterni dove le due tabelle ( 1 e Tab. 5) possono facilmente essere allineate (Figura 2);
  • nell’altitudine: 1000 m s.l.m per la IEC 60204-1 e 2000 m s.l.m per la IEC 61439-2;
  • nella “Collocazione dei dispositivi di protezione contro le sovracorrenti” (7.2.8 IEC 60204-1), caso in cui nella Norma IEC (CEI EN) 61439-1 si trova qualche esempio tecnico costruttivo rappresentato nella tabella 4 (Figura 3); caso in cui se così realizzo il cablaggio di primo livello, ossia tra il dispositivo generale o le sbarre e i dispositivi di protezione contro il cortocircuito a valle (SCPD), non devo superare i 3 m di lunghezza.
Figura 2 – Morsetto per la connessione all’impianto di protezione esterno di messa a terra e i terminali per conduttori esterni.
Figura 3 – Collocazione dei dispositivi di protezione contro le sovracorrenti.

 

Altri aspetti sono trattati sostanzialmente in entrambe le norme, ma talvolta vi sono differenze sugli stessi argomenti. Tra questi, si rilevano:

  • la sovratemperatura che si produce all’interno dei quadri;
  • la tenuta generale al corto circuito del quadro.

Per la sovratemperatura, la Norma CEI EN 60204-1 richiede genericamente:

a) il corretto funzionamento dell’equipaggiamento elettrico entro i limiti di temperatura ambiente previ- sta e comunque almeno nel campo almeno da +5 °C a +40 °C (art. 4.3);

b) dove gli equipaggiamenti durante il funzionamento normale o anomalo possono raggiungere temperature di superficie sufficienti a generare un rischio di incendio o un danneggiare il materiale siano:

  • posti entro involucro resistenti a tali temperature;
  • distanziati per dissipare in sicurezza il calore o protetti con rivestimenti o schermi per sopportare il calore emesso dall’equipaggiamento.

La Norma CEI EN 61439-1, invece, richiede specificatamente che per le diverse parti dell’apparecchiatura (interne ed esterne) non vengano mai superati precisi limiti di sovratemperatura (Tab. 6).

I limiti di sovratemperatura indicati nella tabella 6 sono applicabili per una temperatura media dell’aria ambiente fino a 35 °C e non 40 °C, ma tali limiti devono rimanere invariati anche se la temperatura media dell’aria ambiente è maggiore di 35 °C, caso in cui diminuisce per questa speciale condizione di esercizio la differenza tra l’aria ambiente e il limite della sovratemperatura individuale.

Se la temperatura media dell’aria ambiente è minore di 35 °C, è ammesso lo stesso adattamento dei limiti di sovratemperatura mediante accordo tra l’utilizzatore ed il costruttore del quadro.

Per il cortocircuito, si deve in sostanza assicurare con ogni mezzo che le sovracorrenti non creino danni al quadro di automazione (in realtà tutto l’equipaggiamento elettrico, quadro compreso) e alle persone, lasciando la scelta alle responsabilità del costruttore.

Per far questo è necessario determinare la corrente nominale di cortocircuito (7.10) e ciò può essere fatto con calcoli, con l’applicazione delle regole di progettazione o con test (Figura 4), documentandone i valori all’inizio dell’equipaggiamento elettrico (17.2).

Figura 4 – Correnti di cortocircuito.

 

Nel caso di calcoli, più conveniente perché meno costoso, il richiamo alla IEC 61439-1 ci è molto comodo perché in determinate condizioni non è richiesta la prova di tenuta del quadro al cortocircuito.

Nella futura ed. 3 della IEC 61439-1 sarà anche compreso il riferimento alle correnti di cortocircuito in DC.

Alla luce del costo non trascurabile delle prove di cortocircuito e del conseguente rischio di distruzione dei componenti, per quanto possibile sarà opportuno rientrare nei casi di esonero, ossia:

  • Icc < 10 kA al punto di allacciamento, oppure
  • Ipk < 17 kA in corrispondenza della Icc al punto di

Altre possibili sovrapposizioni e prescrizioni tecniche sono:

  • per il coordinamento dell’isolamento (proprietà dielettriche), le minime distanze d’isolamento in aria e superficiali nel parallelo tra la Norma IEC (CEI EN) 61439-2 e la Norma IEC 60664-1 a cui fa riferimen- to l’equipaggiamento elettrico delle macchine;
  • le verifiche o prove di tensione ad impulso (Uimp), il cui valore deve essere dichiarato per un quadro di distribuzione e la cui prova di tenuta può non essere necessaria se sono garantite le minime Per un quadro di automazione si riferiscono ad una categoria di sovratensione III che equivale a 4 kV. C’è anche la categoria IV (IEC 61439-1) nel caso in cui il quadro è posto all’origine dell’impianto, condizione questa verosimilmente applicabile, se del caso, anche ai quadri di automazione pur se non richiesta.

Per la verifica delle distanze superficiali, la Norma IEC 61439-1 richiede la prova di tensione a frequenza industriale (11.9 verifiche individuali) per la durata di 1 s o in alternativa, per quadri con corrente nominale in entrata (InA) <250 A, la misura della resistenza d’isolamento a 500 V DC. Nella futura ed. 3, l’alternativa sarà forse estesa ai quadri con InA <630 A;

  • le forme di segregazione interna tra le sbarre, le unità funzionali e terminali, non richiesta per l’equipaggiamento elettrico ma in genere osservate dai costruttori nella realizzazione del quadro;
  • il grado di inquinamento, non espressamente prescritto nella Norma IEC 60204-1, ma indicato come minimo grado 3 per applicazioni industriali come ci riferisce la norma sui quadri di distribuzione;
  • il funzionamento meccanico, non previsto per l’equipaggiamento elettrico di una macchina, ma in genere applicato dai costruttori che consiste nelle manovre, nel testare gli interblocchi, etc. e non di certo nell’eseguire le prove di impatto meccanico dell’involucro;
  • la compatibilità elettromagnetica (EMC), in questo caso comodamente applicabile ed in genere applicata dai costruttori, i cui requisiti previsti nella Norma IEC 61439-1 consentono di mitigare le interferenze elettromagnetiche grazie all’approccio modulare costituito, di fatto, dalla scelta di componenti ed apparecchi già conformi alle norme di prodotto assemblati seguendo le istruzioni del costruttore. Utile in tale ambito anche la distinzione sulle condizioni ambientali, A, più usuale per le macchine, o B (J.9.4.1 CEI EN 61439-1) e la specifica avvertenza sulle informazioni d’uso (art. 2.2).

 

Marcatura del quadro elettrico

La targa del quadro elettrico differisce tra le due norme (Figura 5).

Figura 5 – Marcatura.

 

Nella IEC 60204-1 non è più richiesto il valore della corrente di cortocircuito e per il quadro di automazione non è mai stato richiesto di indicare in targa la norma di riferimento.

Nulla toglie che il costruttore possa farlo e, applicando le due norme, è prioritaria la Norma IEC 60204-1.

 

Documentazione

Nella Norma IEC 60204-1 è stata eliminata tutta la parte descrittiva del contenuto della documentazione fornendo solo la lista dei documenti da sviluppare e si richiama l’Annex I che elenca una serie di norme su come documentare.

In linea generale tra le due norme c’è una convergenza (Figura 6) con qualche logica differenza dovuta alle diverse caratteristiche costruttive tra equipaggiamento elettrico e quadri di distribuzione.

Figura 6 – Documentazione.

 

Le informazioni prettamente riferite ai quadri elettrici sono con evidenza più complete riferendosi alle Norme IEC (CEI EN) 61439.

Ma viste le differenze e fermo restando quanto prescritto dall’una o dall’altra Norma, è opportuno concordare quali documenti redigere e consegnare perché il rimando alle sole norme senza specifiche può causare a volte inutili contraddittori.

Il costruttore di un apparecchio elettrico o di un componente dell’impianto, ad es. di un quadro, non ha l’obbligo di consegnare la documentazione relativa alla marcatura CE, né la dichiarazione di conformità alla regola d’arte.

Il destinatario del quadro ha invece il diritto di ricevere le istruzioni per il montaggio, il funzionamento e la manutenzione, come indicato dalla Norma CEI EN 61439-1.

Ciò non toglie che l’acquirente debba ricevere quanto è stato preventivamente pattuito e liberamente accettato dalle parti, nel contratto di fornitura del quadro stesso.

 

Verifiche

Se parliamo di quadro di automazione o di distribuzione, è opportuno riferirsi alla propria Norma.

Per l’equipaggiamento elettrico, le verifiche sono solitamente indicate nella norma di prodotto specifica per una macchina particolare e, qualora inesistenti, potranno fare riferimento alla Norma IEC 60204-1 (Figura 7).

L’esecuzione delle verifiche da d) a g) sono lasciate alla discrezionalità e professionalità del costruttore e dipendono dalle caratteristiche dell’equipaggiamento elettrico.

Nella prossima Norma EN, si preciserà che in ogni caso le verifiche di cui in a) e b) devono essere fatte per prime.

Nella serie IEC 61439, che ragiona distinguendo correttamente le verifiche di progetto con tre metodi equivalente ed alternativi, si trovano altri utili requisiti.

Qualora il quadro sia già provato, condizione non sempre facile per un quadro di automazione, potrò rivalermi sui requisiti ivi previsti, molto più dettagliati e in alcuni casi risolvibili con esami a vista e misure.

Figura 7 – Verifiche / Prove.

 

Nel parallelo con la serie di Norme IEC 61439, le verifiche possibili sono quelle individuali (Figura 8).

Figura 8 – Verifiche / Prove IEC 60204-1 e buona prassi.

 

Scenari normativi futuri

Equipaggiamento elettrico delle macchine – “Quadri di automazione”

La IEC 60204-1 è già in vigore dal 13/01/2016 mentre il recepimento EN è ancora in sospeso per le modifiche proposte dai consulenti UE.

Siamo però alle battute finali e a breve è prevista almeno la ratifica (DOR) che vincola l’annuncio a livello nazionale della nuova Norma EN (DOA) e le date ultime di pubblicazione (DOP) e ritiro della vecchia norma (DOW).

La modifica più importante si riferisce alla cancellazione del secondo paragrafo dell’art. 4.4.2 e dei relativi sottopunti con il riferimento all’Allegato H che dava riconoscimento all’approccio modulare per la confor- mità dell’equipaggiamento elettrico ai requisiti sulla compatibilità elettromagnetica.

Si procederà pertanto come da tempo in atto, ossia applicando la Norma IEC 61439-2 dove tale approccio è da tempo consolidato.

“Quadri di distribuzione”

La pubblicazione della terza edizione IEC 61439-1 è prevista nel 2020. Alcune delle novità in discussione riguardano:

  • la conferma della struttura di base della norma;
  • la ridefinizione del concetto di RDF (Fattore di contemporaneità);
  • il trasferimento nella parte 2 di sezioni come:
    • il metodo di calcolo con raffreddamento naturale sino a correnti nominali non superiori a 3150 A (Proposta italiana);
    • il metodo di calcolo del raffreddamento con ventilazione forzata (Proposta italiana);
    • gli allegati normativi su “Assemblies for use in photovoltaic networks”.

Altri sviluppi normativi futuri in ambito IEC/SC 121B sono:

  • IEC 614392 Ed. 3: congelata in attesa di essere riscritta in accordo con le evoluzioni della Parte 1;
  • IEC/TS 63107 1 “Integrazione di dispositivi per la mitigazione dei guasti da arco elettrico in gruppi di apparecchiature di comando e controllo di potenza (PSC‐ASSEMBLIES) in accordo con la Norma IEC 61439‐2, la cui pubblicazione è prevista entro marzo del 2020. Si è costituito un nuovo Gruppo di Lavoro (WG) che ha il compito di studiare come mitigare l’arco elettrico interno attraverso dispositivi che rilevano circa 10 ms e interrompono in circa 60 ms il guasto prima che si verifichi il pieno arco elettrico;
  • IEC/TR 61641 “Guida per la prova in condizioni d’arco dovuto a un guasto interno”. Non è prevista nessuna modifica, ma a medio termine è prevista l’estensione a nuove configurazioni e l’integrazione di esse all’interno dell’IEC TS 63107 (Rapporto Tecnico che sostituisce la Norma CEI 17-86:2008-11). Nell’agosto 2016 è stata pubblicata la Guida CEI 121-7 (IEC/TR 61641 3) che serve, quando richie- sto, ad effettuare le prove ad arco interno nei quadri di bassa tensione;
  • IEC/TR 61439-0: “Low-voltage switchgear and controlgear assemblies – Part 0: Guidance to specifying assemblies”, 2 2013, il cui campo di applicazione sarà riesaminato al fine di includere nuove configurazioni, nuovi materiali e metodi di ventilazione senza però modificare il calcolo;
  • CEI IEC/TR 60890 (CEI 17-43):2018-02 “Modalità di verifica tramite calcolo della sovratemperatura per le apparecchiature assiemate di protezione e di manovra per bassa tensione (quadri BT)”. In questo contesto sono in discussione alcune importanti novità al fine di includere nuove configurazioni, nuovi materiali e metodi di ventilazione senza però modificare il calcolo (per es. quadri con InA > 630 A, grado IP involucri con aperture di ventilazione, minima distanza per quadri non a parete, contributo dei cavi per quadri di piccole dimensioni, allineamento formule dei costruttori e curve grafiche normative).

 

Conclusioni

C’è chi sostiene che la IEC 61439-2 e la congiunta Parte 1 non siano applicabili ai QE AUTOMAZIONE.

Ciò potrebbe essere vero per il comando e controllo, ma per la parte di potenza e per l’armonizzazione ai fini della Direttiva EMC, questa tesi non sembra del tutto percorribile.

Un confronto tra le due norme è più che opportuno al fine di individuare le parti applicabili della IEC 61439-2 e realizzare così un quadro di automazione conforme alla regola dell’arte.

A completamento del quadro normativo di riferimento, si ricorda infine che le IEC (CEI EN) 60439-1 e 2, non si applicano più dal 2-11-2014.

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