Coordinamento tra cavi e protezioni negli impianti industriali: perché è fondamentale
Il coordinamento cavi protezioni è un aspetto fondamentale nella progettazione degli impianti elettrici industriali. Non è sufficiente scegliere correttamente la sezione di un conduttore: anche il dispositivo destinato a proteggerlo deve avere caratteristiche compatibili con la corrente richiesta dal carico, la portata del cavo e le condizioni previste in caso di sovraccarico o cortocircuito. Una valutazione corretta permette di evitare che il conduttore venga sottoposto a sollecitazioni superiori a quelle ammesse e di garantire un intervento efficace delle protezioni.
Che cosa significa coordinare un cavo con la sua protezione?
Ogni linea elettrica deve essere considerata come un sistema composto da più elementi che lavorano insieme.
Da una parte c’è il conduttore, scelto in funzione della corrente da trasportare, delle condizioni di posa, della lunghezza della linea e delle caratteristiche dell’impianto. Dall’altra c’è il dispositivo di protezione, come un interruttore automatico o un fusibile, che deve intervenire quando la corrente supera determinate condizioni.
Il principio è semplice: la protezione deve consentire il normale funzionamento del circuito, ma deve anche impedire che il cavo rimanga sottoposto a una corrente eccessiva per un tempo tale da provocare un surriscaldamento pericoloso.
Per questo il coordinamento cavi protezioni non può essere valutato osservando separatamente interruttore e conduttore.
Come abbiamo visto nell’approfondimento sul dimensionamento dei cavi industriali, anche la capacità di un cavo di trasportare corrente dipende dalle reali condizioni nelle quali viene installato.
Sovraccarico e cortocircuito non sono la stessa cosa
Quando si parla di sovracorrenti è importante distinguere due fenomeni differenti.
Il sovraccarico si verifica quando un circuito viene attraversato da una corrente superiore a quella prevista durante il normale funzionamento, senza che sia necessariamente presente un guasto diretto tra conduttori.
Può accadere, per esempio, quando vengono collegati nuovi carichi a una linea esistente oppure quando un’apparecchiatura assorbe più corrente del previsto.
Il cortocircuito, invece, è una condizione di guasto nella quale possono svilupparsi correnti molto più elevate in tempi estremamente brevi.
Le protezioni devono quindi essere scelte considerando entrambe le situazioni: limitare gli effetti di un sovraccarico prolungato e interrompere rapidamente una corrente di cortocircuito.
Per approfondire quest’ultimo fenomeno è possibile consultare l’articolo AFM dedicato allo studio delle correnti di cortocircuito negli impianti industriali.
Perché la corrente nominale dell’interruttore non basta?
Uno degli errori più comuni consiste nel confrontare soltanto la corrente nominale dell’interruttore con quella assorbita dal macchinario.
In realtà, il coordinamento cavi protezioni richiede di considerare insieme almeno tre elementi: la corrente richiesta dal carico, le caratteristiche o la regolazione del dispositivo di protezione e la capacità effettiva del cavo di trasportare corrente nelle reali condizioni di installazione.
La protezione deve consentire il normale funzionamento dell’utenza, ma allo stesso tempo deve intervenire prima che un eventuale sovraccarico possa sottoporre il conduttore a condizioni termiche non ammissibili.
Questo significa che la stessa protezione può risultare corretta per una linea e non esserlo per un’altra, anche quando la sezione nominale del cavo è identica: modalità di posa, temperatura ambiente e raggruppamento con altri circuiti possono infatti modificarne la portata effettiva.
La CEI 64-8 Parte 4 affronta le misure di protezione contro le sovracorrenti, mentre la Parte 5 riguarda anche la scelta delle condutture e dei dispositivi di protezione. È possibile consultare le schede ufficiali della CEI 64-8/4 – Prescrizioni per la sicurezza e della CEI 64-8/5 – Scelta e installazione dei componenti elettrici.
Che cosa succede se la protezione ha una taglia o una regolazione troppo alta?
Una protezione con caratteristiche non correttamente coordinate con il cavo può consentire il passaggio di una corrente superiore a quella ammissibile per il conduttore senza intervenire nei tempi necessari.
La linea può quindi continuare a funzionare apparentemente senza anomalie immediate, mentre il cavo viene sottoposto a una condizione di sovraccarico che può provocare un progressivo aumento della temperatura.
Nel tempo questo può contribuire a:
- deterioramento dell’isolamento;
- maggiore stress termico del conduttore;
- surriscaldamento delle connessioni;
- riduzione della vita utile della linea;
- aumento della probabilità di guasti.
Il fatto che l’interruttore non intervenga non significa quindi necessariamente che il circuito stia lavorando correttamente.
Per questo motivo non è corretto aumentare semplicemente la taglia o la regolazione di una protezione per evitare degli sganci senza verificare prima la portata effettiva del cavo e le condizioni dell’intero circuito.
Che cosa succede se la protezione ha una taglia o una regolazione troppo bassa?
Anche una protezione eccessivamente restrittiva rispetto alle caratteristiche del carico può determinare un funzionamento non corretto dell’impianto.
Il dispositivo potrebbe infatti intervenire durante condizioni operative normali, provocando sganci intempestivi e interruzioni del processo produttivo pur in assenza di una situazione pericolosa per il conduttore.
Questo aspetto è particolarmente importante quando vengono alimentati motori o altre apparecchiature che, durante alcune fasi di funzionamento, possono richiedere temporaneamente correnti superiori a quelle assorbite a regime.
Le correnti di spunto negli impianti industriali rappresentano un esempio tipico: durante l’avviamento di un motore l’assorbimento può aumentare sensibilmente per un breve intervallo di tempo e la protezione deve essere scelta tenendo conto anche di questo comportamento.
L’obiettivo non è quindi utilizzare una protezione semplicemente più sensibile o più permissiva, ma individuare caratteristiche e regolazioni compatibili sia con il cavo sia con il funzionamento dell’utenza.
Il comportamento del cavo durante un cortocircuito
La verifica del coordinamento non termina con la protezione contro il sovraccarico.
In presenza di un cortocircuito possono infatti svilupparsi correnti molto elevate in tempi estremamente brevi. Il dispositivo di protezione deve essere in grado di interrompere il guasto, mentre il conduttore deve sopportare la sollecitazione termica prodotta fino al momento dell’interruzione.
Per questo motivo una linea correttamente protetta durante il normale esercizio non è automaticamente verificata anche in condizioni di cortocircuito.
La valutazione deve tenere conto delle caratteristiche del dispositivo di protezione, della corrente di cortocircuito prevista nel punto dell’impianto e della capacità del conduttore di resistere all’energia sviluppata durante il guasto.
Il rapporto tecnico CEI EN CLC/TR 50480 – Determinazione della sezione dei conduttori e selezione del dispositivo di protezione affronta proprio la relazione tra sezione dei conduttori, dispositivi di protezione, sovracorrenti, sollecitazioni termiche dovute al cortocircuito e caduta di tensione.
Coordinamento e selettività: due concetti collegati, ma diversi
Il coordinamento tra cavo e protezione non deve essere confuso con la selettività delle protezioni.
Nel primo caso l’obiettivo principale è assicurarsi che il dispositivo protegga correttamente il circuito al quale è associato.
La selettività riguarda invece il comportamento di più dispositivi installati a diversi livelli dell’impianto: in presenza di un guasto dovrebbe intervenire la protezione più vicina alla parte interessata, mantenendo alimentate le altre utenze quando possibile.
Sono quindi verifiche differenti, ma entrambe contribuiscono alla sicurezza e all’affidabilità della distribuzione elettrica.
AFM ha approfondito questo secondo aspetto nell’articolo sulla selettività delle protezioni elettriche negli impianti industriali. Una corretta selettività permette di limitare gli effetti di un guasto alla sola parte interessata e ridurre l’estensione dei fermi produttivi.
Perché gli ampliamenti richiedono una nuova verifica?
Gli impianti industriali cambiano nel tempo.
Nuove macchine vengono installate, la potenza disponibile viene modificata, le linee vengono prolungate oppure alcuni dispositivi di protezione vengono sostituiti.
Ogni modifica può alterare le condizioni sulle quali era stato effettuato il coordinamento originario.
Per esempio, aumentare la potenza di un macchinario può significare aumentare la corrente richiesta alla linea. Sostituire l’interruttore con un modello di taglia maggiore senza verificare il cavo potrebbe invece lasciare il conduttore insufficientemente protetto.
Anche una modifica apparentemente semplice dovrebbe quindi essere valutata verificando nuovamente:
- carico collegato;
- sezione e portata effettiva del cavo;
- modalità di posa;
- caratteristiche e regolazioni della protezione;
- corrente di cortocircuito prevista;
- comportamento degli altri dispositivi presenti a monte e a valle.
Il coordinamento cavi protezioni deve quindi essere considerato anche durante ampliamenti e revamping, non soltanto nella progettazione iniziale.
Un esempio pratico
Immaginiamo una linea industriale realizzata originariamente per alimentare un macchinario con un determinato assorbimento.
Dopo alcuni anni l’apparecchiatura viene sostituita con una macchina più potente. La linea esistente viene mantenuta perché il cavo è già presente e apparentemente in buone condizioni.
Durante l’adeguamento viene sostituito anche l’interruttore con un dispositivo di taglia superiore per evitare interventi durante il funzionamento della nuova macchina.
Il sistema funziona, ma la verifica tecnica evidenzia che la capacità del cavo, nelle reali condizioni di posa, non è compatibile con la nuova regolazione della protezione.
La soluzione non consiste quindi semplicemente nell’installare un interruttore più grande: occorre valutare nuovamente l’intero circuito e stabilire se sia necessario modificare la protezione, la linea o entrambe.
Lo stesso intervento deve essere verificato anche rispetto alle correnti di cortocircuito previste nel punto dell’impianto.
È un esempio semplice, ma mostra perché cavo, carico e protezione devono essere considerati come parti dello stesso sistema.
Quando è opportuno verificare il coordinamento?
Una verifica è particolarmente utile quando:
- viene installato un nuovo macchinario;
- aumenta la potenza di un’utenza esistente;
- viene sostituito un interruttore o un fusibile;
- vengono modificate le regolazioni delle protezioni;
- una linea viene ampliata o prolungata;
- vengono modificati i percorsi o le condizioni di posa;
- si verificano sganci anomali;
- vengono eseguiti interventi di revamping;
- si rilevano surriscaldamenti o deterioramenti sui circuiti.
Integrare queste verifiche nella gestione dell’impianto contribuisce anche alla continuità elettrica negli impianti industriali, perché una protezione correttamente scelta deve intervenire quando necessario senza generare inutili interruzioni del processo produttivo.
Domande frequenti sul coordinamento cavi protezioni
È sufficiente che l’interruttore abbia la stessa corrente nominale del carico?
No. Devono essere considerate anche la portata effettiva del cavo, le condizioni di posa, le caratteristiche del dispositivo e il comportamento previsto in presenza di sovraccarico e cortocircuito.
Se aumento la sezione del cavo devo cambiare anche la protezione?
Non necessariamente, ma il circuito deve essere nuovamente verificato. La scelta dipende dal carico, dalle caratteristiche del cavo e dal dispositivo installato.
Posso sostituire un interruttore con uno di taglia superiore per evitare gli sganci?
Non senza una verifica. Aumentare semplicemente la taglia o la regolazione della protezione potrebbe lasciare il cavo esposto a sovraccarichi superiori alla sua capacità ammissibile.
Un cavo può essere protetto correttamente dai sovraccarichi ma non dal cortocircuito?
Le verifiche sono differenti. Per questo il circuito deve essere valutato sia nelle condizioni di normale esercizio e sovraccarico sia rispetto alle sollecitazioni previste durante un cortocircuito.
Coordinamento e selettività sono la stessa cosa?
No. Il coordinamento cavo-protezione riguarda la corretta protezione del circuito; la selettività riguarda invece il comportamento coordinato di più dispositivi in caso di guasto.
Quando conviene rifare la verifica?
Ogni volta che vengono modificati carico, cavo, protezioni o configurazione significativa dell’impianto, oppure quando si manifestano interventi anomali o condizioni di surriscaldamento.
Conclusioni
Il coordinamento cavi protezioni è una parte essenziale della progettazione e della verifica degli impianti elettrici industriali.
La sezione del conduttore, la corrente richiesta dal carico e le caratteristiche del dispositivo di protezione devono essere valutate insieme, considerando sia il normale esercizio sia le condizioni di sovraccarico e cortocircuito.
Una protezione troppo permissiva può non tutelare adeguatamente il cavo, mentre una scelta eccessivamente restrittiva può provocare interventi indesiderati e fermi produttivi.
Verificare correttamente l’intero circuito consente di migliorare sicurezza, affidabilità e continuità dell’impianto nel tempo.
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L’installazione di nuovi macchinari, la sostituzione delle protezioni o l’ampliamento di una linea possono modificare il comportamento di circuiti precedentemente dimensionati e verificati.
AFM Impianti Elettrici supporta le aziende nella progettazione e nella verifica degli impianti elettrici industriali, valutando cavi, carichi e dispositivi di protezione nelle reali condizioni di esercizio.