Arc Flash & Arcing Fault Tool

Il documento Siemens analizza in modo sistematico il fenomeno del guasto d’arco all’interno di quadri di media tensione (MT) e quadri/bordoni di bassa tensione (BT), descrivendone:

• le cause tipiche e le probabilità di accadimento;

• gli effetti termici e di sovrappressione su persone, apparecchiature e strutture edilizie;

• gli standard tecnici di riferimento per prove di tipo, installazione e lavori sotto tensione;

• le strategie di protezione (passive e attive) applicabili a quadri MT e BT;

• i metodi di calcolo per stimare energia d’arco, energia incidente e livello di protezione dei DPI, con richiami a IEEE 1584 e alla guida DGUV 203-077.

Lo scopo pratico è fornire a progettisti, gestori di impianti e consulenti sicurezza uno strumento di supporto per:

• progettare locali quadri e cabine tenendo conto delle sovrappressioni;

• selezionare quadri MT/BT con adeguata classificazione IAC e prove interne d’arco;

• definire criteri oggettivi per la scelta dei DPI per lavori sotto tensione;

• impostare calcoli di rischio “arc flash” e confrontarli con i limiti di protezione dei DPI.

2. Che cos’è il guasto d’arco e da cosa nasce

Il testo parte dalla definizione di arco elettrico come scarica che ionizza il gas (di norma aria) tra due elettrodi a potenziale diverso o tra elettrodo e terra. Quando la scarica è dovuta a un difetto (es. cortocircuito interno a un quadro) si parla di arc fault.

Le cause tipiche elencate includono:

• difetti di isolamento, contatti difettosi, errori d’installazione;

• errato dimensionamento/dispositivi inadeguati;

• invecchiamento, sovraccarico, inquinamento, umidità;

• errori operativi e lavori non ammessi in tensione;

• corpi estranei (utensili dimenticati, piccoli animali);

• connessioni di cavi eseguite male.

Nel BT si distinguono archi seriati (corrente simile a quella di carico, rischio più che altro d’incendio) e paralleli (corrente da cortocircuito, rischio immediato per persone e quadri). La grande maggioranza dei guasti significativi è dovuta ad archi paralleli o archi seriati che evolvono in paralleli.

Effetti sull’impianto e sulle persone: energia d’arco e sovrappressione

Il documento introduce la grandezza energia d’arco W_arc, funzione della potenza dell’arco e del tempo di permanenza, e l’energia incidente E_i che raggiunge una superficie alla distanza di lavoro. Si evidenzia che:

• l’energia d’arco condiziona i danni a quadri e locali;

• l’energia incidente è la grandezza di riferimento per le lesioni a persone (ustioni di II grado).

Sono richiamati valori-soglia: ad esempio, il limite di 50 kJ/m² (circa 1,2 cal/cm²) usato da IEEE 1584 come soglia per ustioni di II grado su pelle non protetta, e i valori più articolati della curva di Stoll-Chianta che lega intensità termica e tempo di esposizione.

Per la parte pressione, il documento mostra come un arco in quadro o cabina generi una rapida compressione dei gas, con aumento di pressione interna, espansione, eventuale emissione di gas e vapori metallici. Vengono forniti:

• valori indicativi di pressione che possono raggiungere densità dell’ordine di molte tonnellate per metro quadrato di pannello;

• curve di sviluppo della pressione nel tempo e grafici che correlano volume del locale, corrente di cortocircuito e superficie di sfogo;

• tabelle con soglie di danno per persone, vetrate e strutture in funzione della sovrappressione (ad es. soglie per rottura di vetri, danni a coperture, distruzione di pareti in muratura).

Verifica delle strutture edilizie e dimensionamento degli sfoghi di pressione

Una parte centrale del documento è dedicata al problema: il locale quadro/trasformatore regge la sovrappressione in caso di arco interno?

Vengono illustrati tre livelli di approfondimento:

1. Stima semplificata tipo Pigler
   Per locali fino a circa 50 m³ si propone una stima semplificata (metodo Pigler) che consente, partendo da:

   • volume del locale;

   • corrente di cortocircuito;

   • tipologia di quadro;

   • superficie utile di sfogo;

   • eventuale uso di assorbitori di pressione,

   di stimare la sovrappressione massima. Grafici di pagina 4-5 mostrano come, variando superficie di sfogo e volume, cambi la pressione interna per specifici quadri MT Siemens.

2. Calcolo numerico con elementi finiti (FE)
   Per casi complessi è possibile ricorrere a simulazioni con modelli 3D del locale, della disposizione dei quadri e degli sfoghi. Il software calcola campi di pressione, velocità dei gas e distribuzione sulla struttura nel tempo, fornendo mappe di pressione sulle pareti (utili per il progettista strutturale).

3. Strumento SITRATO per locali trasformatori
   Per locali con trasformatori GEAFOL è descritto il tool SITRATO: a partire da dimensioni del locale, aperture di ventilazione, carico del trasformatore e corrente di corto, il programma calcola:

   • dimensionamento delle aperture di ventilazione;

   • andamento della pressione in caso di arco in olio o resina;

   • verifica di compatibilità con il tipo di struttura edilizia.

Tabelle dedicate riportano valori guida di sovrappressione ammissibile per diversi materiali di parete (cartongesso, muratura, prefabbricato, cemento armato, cellule in calcestruzzo) e correlano la sovrappressione con i possibili danni a persone, vetrate, tetti, edifici e infrastrutture.

Prove di tipo su quadri MT e BT e classificazioni IAC

Per la bassa tensione, la guida IEC/TR 61641 definisce prove in condizioni di arco interno, nate per aumentare la sicurezza delle persone. I criteri di superamento includono:

• nessuna apertura incontrollata di porte e pannelli correttamente chiusi;

• assenza di parti pericolose proiettate verso l’esterno;

• nessun foro sulle superfici accessibili;

• indicatori di carta (flame indicators) che non devono incendiarsi in modo critico;

• continuità del circuito di protezione delle masse.

Si aggiungono criteri di funzionalità residua del quadro (possibilità di mantenere almeno un funzionamento di emergenza dopo aver isolato il comparto danneggiato).

Per la media tensione, la norma IEC 62271-200 introduce la Internal Arc Classification (IAC), che definisce:

• tipo di accessibilità (A: solo personale autorizzato; B: pubblico);

• lati del quadro accessibili (F, L, R: fronte, lati, retro);

• corrente di prova e durata dell’arco (es. IAC AR BFL 25 kA 1 s).

Anche qui i criteri di prova mirano a proteggere le persone: integrità dell’involucro verso l’esterno, assenza di proiezioni pericolose, contenimento dell’arco nel comparto e prova di tenuta dielettrica residua.

Strategie di protezione: approccio passivo e attivo

Il documento confronta due filosofie:

6.1 Protezione passiva

Consiste nel prevenire la formazione del guasto d’arco o limitarne fortemente la propagazione, attraverso:

• isolamento e rivestimento di sbarre nude (es. nastri e manicotti isolanti specifici);

• diaframmi, chiusure e barriere tra scomparti;

• compartimentazione spinta (contenimento nel solo volume d’origine);

• particolari attenzioni per pannelli di misura/servizi ausiliari, spesso punto critico per la sovrappressione.

Sono riportate istruzioni di posa specifiche Siemens, con disegni che indicano modalità corrette di fasciatura delle sbarre e dei giunti.

6.2 Protezione attiva

Parte dal presupposto che l’arco possa comunque formarsi, e punta a rilevarlo e spegnerlo in pochi millisecondi usando sistemi dedicati:

• sensori di luce (puntuali o in fibra ottica) per rilevare il flash;

• sensori di corrente (dI/dt) per riconoscere l’impennata di corrente;

• unità logica IACD che, quando riceve simultaneamente i due criteri, comanda:

  • l’apertura dell’interruttore a monte, e/o

  • l’azionamento di un dispositivo di soppressione d’arco (Arc Quenching Device), che crea un percorso a bassa impedenza interno al quadro in cui “convogliare” e spegnere rapidamente l’arco.

Un esempio è la gamma di soluzioni SIQuench (quadri MT NXAIR) e sistemi per SIVACON S8 in BT. Vantaggio chiave: riduzione drastica del tempo d’arco, con conseguente abbattimento di energia d’arco e danni.

Lavori sotto tensione, DPI e prove di qualifica

Per i lavori sotto tensione, il documento mette in relazione:

• l’energia d’arco che si può sviluppare nello scenario considerato;

• l’energia incidente che raggiunge l’operatore alla distanza di lavoro;

• il livello di protezione dei DPI arco-resistenti secondo IEC 61482.

Sono illustrati:

• i criteri della prova open arc (IEC 61482-1-1), da cui si ricavano valori come ATPV, EBT, ELIM;

• la prova box test (IEC 61482-1-2), che classifica l’abbigliamento in Class 1 e Class 2, con livelli di energia d’arco nominale e corrispondenti energie incidenti di prova in configurazione “box” direzionale.

È chiarito che i due metodi non sono sovrapponibili: uno serve a determinare numericamente la capacità termica del DPI (ATPV/ELIM), l’altro a verificare il superamento di un livello di prova standard (pass/fail).

Grafici con curve temperatura-tempo mostrano come il DPI, se correttamente certificato, possa mantenere la temperatura lato pelle sotto le soglie di ustione di II grado, anche in presenza di archi di una certa durata.

Metodi di calcolo dell’energia incidente

8.1 Modello empirico IEEE 1584

La guida IEEE 1584 propone un modello empirico, valido per tensioni da 208 V a 15 kV, con determinati intervalli di correnti di cortocircuito, spaziatura degli elettrodi e distanze di lavoro. Il procedimento, semplificando, richiede di:

1. calcolare tutte le correnti di cortocircuito trifase possibili nei vari stati di esercizio (secondo IEC 60909 o equivalente);

2. definire la geometria: distanza elettrodi, tipo di box, elettrodi in aria libera o in involucro, configurazione (verticale, orizzontale, con barriera);

3. determinare corrente d’arco media e minima;

4. ricavare la durata dell’arco in base alle curve tempo-corrente dei dispositivi di protezione (uso del margine peggiore: banda alta delle curve, inclusi tempi propri dell’interruttore/fusibile);

5. applicare le formule IEEE 1584 per ottenere l’energia incidente alla distanza di lavoro e la relativa distanza di sicurezza in cui l’energia scende al valore limite (ad es. 50 kJ/m²).

È un metodo ricco di fattori correttivi (dimensioni dell’involucro, tipo di elettrodi, tensione, ecc.) e richiede una buona conoscenza della configurazione interna dei quadri.

8.2 Metodo DGUV 203-077 basato sul box test (Warc,eff)

In alternativa, il documento presenta il metodo semplificato della DGUV 203-077, concepito per scegliere i DPI per lavori sotto tensione partendo dal box test IEC 61482-1-2:

1. Si determina la durata del cortocircuito t_k in funzione della corrente minima d’arco (legata alla corrente di corto minima e a un fattore di limitazione dell’arco).

2. Si calcola la potenza d’arco usando la potenza di corto circuito alla barra (tensione di sistema e corrente di corto) moltiplicata per un fattore normalizzato di potenza d’arco k_P, che dipende da tensione, distanza elettrodi e rapporto R/X del sistema.

3. Si ricava l’energia d’arco W_arc come prodotto potenza d’arco × durata.

4. Si corregge il valore per tenere conto di tipo di quadro e distanza di lavoro mediante un fattore di trasmissione k_T e la distanza a, ottenendo l’energia d’arco effettiva all’operatore W_arc,eff.

5. Si confronta W_arc,eff con i livelli di riferimento derivati dalle prove box test:

   • al di sotto di un primo valore limite (es. ~50 kJ) i DPI specifici contro l’arco possono non essere necessari;

   • tra questo limite e il valore della Classe 1 sono richiesti DPI di Classe 1;

   • tra Classe 1 e Classe 2 occorrono DPI di Classe 2;

   • oltre il livello di Classe 2 servono misure aggiuntive (schermi, barriere, distanze maggiori, lavoro fuori tensione).

Cosa permette concretamente di verificare il documento

In sintesi, il documento fornisce le basi teorico-pratiche per verificare:

1. Idoneità dei locali di quadri MT/BT e trasformatori:

   • stima della sovrappressione generata da un arco interno;

   • confronto con la resistenza delle pareti e degli elementi edilizi;

   • dimensionamento e posizionamento di sfoghi di pressione, canali e assorbitori.

2. Scelta e configurazione dei quadri:

   • uso di quadri MT con classificazione IAC adeguata all’accessibilità prevista;

   • scelta di quadri BT che abbiano superato prove di arco interno secondo IEC/TR 61641;

   • valutazione dell’opportunità di sistemi attivi di soppressione dell’arco.

3. Strategia di protezione per lavori sotto tensione:

   • valutazione dell’energia d’arco potenziale in diversi punti dell’impianto (IEEE 1584 o DGUV 203-077);

   • determinazione dell’energia incidente alla distanza di lavoro;

   • scelta dei DPI arco-resistenti (Classe 1, Classe 2 o valori ATPV/ELIM) coerenti con lo scenario.

4. Livello di rischio residuo e distanze di sicurezza:

   • identificazione delle zone in cui l’energia incidente supera i limiti di ustione di II grado;

   • definizione delle distanze minime per operatori e terzi, in funzione dei dati calcolati.

5. Scelte architetturali e gestionali:

   • valutare il vantaggio di ridurre corrente di corto (es. tramite limitatori, impedenze, selettività) per abbattere l’energia d’arco;

   • comparare scenari con protezioni diverse (interruttori, fusibili, protezione attiva) in termini di durata del guasto e danni attesi.