Gli impianti elettrici 4.0

La quarta rivoluzione industriale sta avendo un impatto su ogni attività produttiva, economica e sociale. È inevitabile, dunque, chiedersi quali siano oggi le caratteristiche dell’impianto elettrico rispondente alle esigenze dell’utenza 4.0.

Due caratteristiche centrali del 4.0 sono i “big data” e l’IoT (internet delle cose): da un lato, la disponibilità di un gran numero di dati, dall’altra di un’intelligenza distribuita e coordinata, che è in grado di mettere a disposizione dati ma anche di trattarli, utilizzarli e indirizzarli nella giusta direzione.

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. 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.

I carichi elettrici

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 un’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 a un utilizzatore che sia in contemporane anche produttore di energia elettrica e, quindi, si parla 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.

La compatibilità elettromagnetica

La guida all’applicazione della Norma Europea EN 50160, la CLC/TR 50422, 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. 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: basti ricordare che il progettista deve esaminare anche gli aspetti affidabilistici dell’impianto, utilizzando soluzioni che abbassano la frequenza di guasto e riducono i tempi di ripristino del servizio.

La continuità elettrica

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. L’Autorità (ARERA) impone ai distributori di installare i misuratori di Power Quality su richiesta dell’utente e di concordare con lo stesso, qualora 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.). 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. La riduzione degli eventi di tensione, e 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.

La selettività

La Guida CEI 99-4 per 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 e 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. Ma le interruzioni del servizio sono dovute, talvolta, a esigenze manutentive (sia “preventiva” sia “correttiva a guasto”).

La Norma CEI 64-8

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 e 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 e indicati nella Sezione 444 della 64-8.

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 a 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 1.000 V in alternata e 1.500 V in continua, un’importanza fondamentale. Si era sottolineato che una delle parole chiave della quarta rivoluzione industriale riguardava la sostenibilità ambientale e, in questo ambito, l’efficienza energetica. La promulgazione della Norma CEI 64-8/8-1 ha come obiettivo proprio l’efficienza energetica degli impianti elettrici utilizzatori. 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”. 

La manutenzione 4.0
La manutenzione del 4.0 è la manutenzione controllata, 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 dell’IoT. 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 e indirizza a chi di dovere gli “alert” che attivano la procedura di manutenzione preventiva. 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.

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