Impianti per industrie efficienti e sicure: tutto parte dal cavo

Il cavo elettrico rappresenta l’elemento costitutivo percentualmente più presente in un impianto elettrico, di cui caratterizza prestazioni e grado di sicurezza. È impensabile non dare ad esso l’attenzione che merita, sia nella fase di progetto sia di installazione.

Un impianto elettrico u­tilizzatore è un’infra­struttura fisica che ha il compito di trasferire, con efficienza e sicurezza, poten­za elettrica da un punto ad un al­tro, in modo da alimentare i ca­richi ad esso connessi. È collega­to, tranne in rari casi, al Sistema Elettrico Nazionale che svolge il ruolo di generatore di tensione: eroga, cioè, la corrente richie­sta dagli utilizzatori mantenendo costante la tensione di fornitura, questa variabile a seconda del livello di consegna.

Il trasporto della potenza – e quindi di tensio­ne e corrente – avviene in regime di alternata sinusoidale tramite i cavi elettrici che, percentual­mente, costituiscono la maggior parte dell’impianto stesso. È evidente come, per avere un impianto elettrico utilizzatore efficiente e sicuro, molto dipen­da dalle caratteristiche di questo importantissimo elemento, spes­so trascurato nei dimensiona­menti e nell’installazione perché sottovalutato in termini di impor­tanza.

Un cavo elettrico è composto, necessariamente, almeno da due elementi: il conduttore e l’isolan­te. Il primo ha il compito di costi­tuire una “comoda” strada per gli elettroni, le cariche elettriche e­lementari di segno negativo che, con il loro moto, formano la cor­rente elettrica.

Più la sezione del conduttore au­menta, tanto più aumenta l’in­tensità massima della corrente elettrica che lo può attraversare per un tempo indefinito (la co­siddetta portata del cavo) e, allo stesso tempo, diminuisce la sua resistenza per unità di lunghezza e, con essa, le perdite per effetto Joule secondo la ben nota rela­zione: P=R·I².

Inoltre, con il dimi­nuire della resistenza diminuisce, a parità di corrente di utilizzo, la caduta di tensione: ciò significa che diventa meno significativa la quota parte di tensione del ge­neratore sottratta all’utilizzatore perché localizzata ai capi del ca­vo di alimentazione.

Le correnti armoniche

Il diffondersi sempre più marca­to di carichi non lineari obbliga a porre l’attenzione sugli aspetti collegati alla qualità dell’alimen­tazione elettrica tra cui le armo­niche, contributi di tensione e/o corrente con una frequenza mul­tipla di quella fondamentale. Le correnti armoniche circolano nei conduttori e comportano un au­mento del valore efficace della corrente totale causando un au­mento delle perdite e un ecces­sivo riscaldamento del condutto­re.

Inoltre, essendo caratterizzati da frequenze elevate, la circola­zione delle correnti armoniche si concentra sulla superficie ester­na del conduttore concretizzan­do il noto “effetto pelle” (poco significativo a 50 Hz) che si tra­duce in un aumento della resi­stenza del cavo e, ancora, delle perdite ad essa connesse. Le armoniche di corrente posso­no, infine, causare il non annulla­mento della corrente di neutro la cui circolazione indesiderata porta con sé ulteriori perdite per riscaldamento.

Con riferimento all’efficienza e­nergetica degli impianti elettrici, la Norma CEI 64-8 parte 8 de­dica il paragrafo 6.6 alle perdite nelle condutture specificando che esse vengono ridotte:

• limitando la caduta di tensione seguendo le raccomandazioni della sezione 525 della parte 5 della Norma CEI 64-8;
• aumentando la sezione dei con­duttori. È specificato come la scelta della sezione dei condut­tori dei circuiti di distribuzione e di quelli terminali che alimen­tano carichi a elevato consu­mo, deve essere basata su va­lutazioni di natura tecnica ed economica, incentrate sul co­sto dei conduttori, su quello di montaggio delle condutture e su quello delle potenze dissipa­te sui conduttori durante la vita in servizio prevista.

Al paragrafo 6.6.4, dedicato alla riduzione degli effetti delle cor­renti armoniche, viene indicato come soluzione quella dell’au­mento della sezione dei condut­tori.

Appare evidente come queste problematiche assumono livel­li di attenzione maggiori in con­testi installativi caratterizzati dall’impiego di correnti elevate, derivanti dall’alimentazione di carichi importanti e fortemente non lineari: tipico esempio è co­stituito dagli impianti industriali in cui i carichi sono principalmen­te trifasi ma anche i grandi inse­diamenti terziari (uffici e centri commerciali) in cui i carichi mo­nofasi sono presenti capillar­mente e in numero elevato.

Le prestazioni di un impianto e­lettrico utilizzatore, per quanto fondamentali, non possono in alcun modo essere scisse dal­le considerazioni sulla sicurez­za nell’esercizio dell’impianto stesso. Specie in quei contesti già citati in cui le elevate potenze impe­gnate unite a una forte concen­trazione antropica, elevano a li­vello alto il rischio connesso alla perdita di vite umane e, solo se­condariamente, quello di ingenti perdite economiche.

Le condutture elettriche, proprio perché in condizioni ordinarie dissipano energia termica, sono particolarmente attenzionate dalle Norme tecniche del CEI che ha dedicato loro il Comitato Tec­nico 20 e che ha riservato spazi dedicati all’interno della parte 7 della Norma CEI 64-8 dedicata alle installazioni speciali.

Cavi elettrici

Isolanti

Dal punto di vista costruttivo è importante partire dall’evidenza che l’elemento costitutivo di un cavo elettrico direttamente con­nesso alla sicurezza è l’isolante: esso fissa il comportamento del cavo nei confronti degli agenti a esso esterni, il massimo valore di tensione sopportabile, il com­portamento durante il tempo di intervento delle protezioni dalle sovracorrenti.

A differenza del conduttore, tipi­camente rame e più raramente alluminio, che può raggiungere temperature molto elevate pri­ma di alterare il suo stato fisico (il rame fonde a 1.085 °C, l’allumi­nio a 660 °C) ed essere in qual­che modo causa di innesco di fenomeni incendiari, i materiali isolanti possono sopportare con­dizioni al contorno di temperatu­ra molto meno severe: il PVC una temperatura massima di eserci­zio di 70 °C, l’EPR di 90 °C.

In condizioni di guasto gli isolanti non devono superare la tempera­tura di cortocircuito stabilita dal­le Norme per preservare la buo­na conservazione del cavo che, per gli isolanti termoplastici è di circa 160 °C mentre per quelli e­lastomerici è di circa 200-250 °C.

Cavo elettrico, resistenza al fuoco

In aggiunta a questi aspetti è im­portante conoscere il compor­tamento di un cavo elettrico nei confronti del fuoco, sia in termini di funzionamento durante un in­cendio (resistenza al fuoco) che di partecipazione allo sviluppo di un incendio (reazione al fuoco).

Il primo aspetto attiene all’ali­mentazione delle utenze a cui, per ragioni di sicurezza, si deve garantire il funzionamento du­rante l’emergenza: pompe antin­cendio, ascensori antincendio, il­luminazione di sicurezza, sistemi di allarme ed evacuazione. Inizialmente esclusi dal regola­mento prodotti da costruzione CPR per la mancanza delle relati­ve Norme di prodotto, il Comitato Tecnico 20 del CEI ha modificato la Norma CEI 20-45 consenten­do di classificare i “cavi CPR resi­stenti al fuoco”.

Il secondo aspetto attiene alla capacità dei cavi di contribuire alla combustione durante un in­cendio, sia in termini di propa­gazione del fuoco che in termini di produzione di fumo, gocciola­mento, acidità.

Cavo elettrico, classificazione del rischio

Per la propagazione sono previ­ste sette classi che sono, in ordi­ne decrescente di prestazione: Aca, B1ca, B2ca, Cca, Dca, Eca, Fca dove il pedice “ca” sta per cable (cavo).

Per il fumo le classi sono quat­tro: S1a, S1b, S2, S3. Per il goc­ciolamento le classi sono tre: d0, d1, d2.

Per l’acidità le classi sono tre: a1, a2, a3. Tutte riportate in ordine decrescente di prestazione.

Il CEI ha recepito ed implemen­tato, all’interno della Norma CEI UNEL 35016 per i cavi elettrici CPR, solamente le seguenti clas­si di reazione al fuoco:

• B2ca – s1a, d1, a1;
• Cca – s1b, d1, a1;
• Cca – s3, d1, a3;
• Eca.

Da utilizzare a seconda del ri­schio di incendio che caratteriz­za un determinato ambiente in­stallativo, così come individuato dalla Norma IEC 60364-6-51.

Conclusioni

È quindi impensabile, per pro­gettare e installare un impianto elettrico sicuro e di qualità, non dare all’elemento cavo l’attenzio­ne che il suo ruolo merita: per far ciò è necessario che tutti i prota­gonisti del processo realizzativo – a partire dallo studio tecnico fi­no al cantiere – siano ben edotti circa gli aspetti prestazionali ci­tati, non esaustivamente, in que­sto scritto, si sforzino di riporta­re ed interpretare correttamente negli schemi unifilari le designa­zioni dei cavi, utilizzino con co­gnizione di causa i cataloghi dei produttori dei cavi elettrici senza riporre fiducia cieca nelle infor­mazioni ricevute “al banco” del rivenditore di materiale elettrico.