Un arco elettrico nel data center di Google ha messo in luce la necessità di predisporre sistemi di protezione: ecco da dove cominciare

Un arco elettrico in un data center, in un impianto industriale o in una grande centrale di energia rinnovabile, come un parco eolico o solare, può trasformarsi in un evento pericoloso. Tre persone sono rimaste infortunate a causa di un arco elettrico verificatosi in un data center di Google a Council Bluffs, Iowa¹. Un arco elettrico crea un'esplosione elettrica e genera calore fino a 19.000 °C. Per avere un'idea, superiore alla temperatura della superficie del sole.

Sebbene gli archi elettrici costituiscano da tempo una preoccupazione seria, solo nel gennaio del 2020 il National Electric Code (NEC) è stato aggiornato per includere la protezione da questi eventi. È stato aggiunto un requisito di riduzione dell'energia d'arco per gli interruttori automatici pari o superiore a 1200 A. Un elemento chiave del requisito NEC aggiornato è che i dispositivi di protezione contro l'arco elettrico devono essere utilizzati quando il tempo di intervento del fusibile sul circuito è inferiore a 0,07 secondi. Anche se i fusibili sono adeguatamente dimensionati, spesso si ricorre a un ulteriore livello di protezione, come un relè apposito, a causa del rischio di infortuni gravi.

Dopo queste premesse, prendiamo in esame le dinamiche dell'arco elettrico, esaminiamo i requisiti dell'Occupational Safety and Health Administration (OSHA) dello U.S. Department of Labor, confrontiamo i guasti metallici con i guasti da arco, presentiamo brevemente i calcoli del rischio di arco dell'IEEE ed esaminiamo diversi scenari di protezione e i relativi relè di Littelfuse.

OSHA richiede che le apparecchiature che funzionano a 50 o più volt siano prese in esame relativamente alla protezione dall'arco elettrico. La valutazione determina i limiti di sicurezza (accesso vietato, limitato e ristretto) e identifica i dispositivi di protezione individuale (DPI) da indossare. Quando si valuta il potenziale di arco elettrico e le relative misure di sicurezza, è necessario distinguere tra guasti metallici e guasti da arco.

Corrente di guasto metallico o da arco

Nei sistemi con tensione nominale inferiore a 1.000 V, un guasto metallico è definito come guasto con impedenza zero. La corrente di guasto dell'arco è definita in relazione all'impedenza dell'arco. I dispositivi di protezione di questi sistemi devono essere impostati in modo da intervenire per la corrente di guasto meccanico più elevata e più grave.

È importante anche il tempo di intervento del dispositivo di protezione. Esistono compromessi tra la rapidità di intervento, la sicurezza e il funzionamento del sistema. Un intervento più rapido può aumentare la sicurezza del personale. Tuttavia, se il sistema comprende diversi dispositivi di protezione, un intervento molto veloce può impedire il funzionamento coordinato dei dispositivi e avere un impatto negativo sull'intero impianto. I relè per guasto da arco elettrico basati su microprocessore (MPU) offrono tempi di reazione intrinsecamente rapidi e possono essere utilizzati per far scattare gli interruttori automatici e accelerare la protezione da arco. Al contempo supportano un funzionamento coordinato dell'impianto per ridurre al minimo le sue interruzioni (Figura 1).

Figura 1: Per accelerare i tempi di reazione in condizioni di guasto, è possibile utilizzare un relè di protezione contro i guasti d'arco per far scattare un interruttore automatico. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse)

Calcoli del rischio di arco elettrico IEEE

Per soddisfare le normative OSHA in ambito industriale si utilizzano normalmente i calcoli del rischio di arco elettrico basati sulla norma IEEE 1584-2018. La norma IEEE 1584 è in grado di prevedere le correnti d'arco e i livelli di energia incidente, identificando così i DPI necessari e definendo le distanze di lavoro sicure. Utilizza un modello di derivazione empirica basato su parametri quali:

• Da 208 a 15.000 V in corrente alternata (V c.a.), trifase, con frequenze da 50 a 60 Hz
• Correnti di guasto meccanico da 700 a 106.000 A
• Dimensioni comuni degli involucri delle apparecchiature e configurazioni dei conduttori con o senza messa a terra
• Distanze tra i conduttori e guasti che coinvolgono tutte e tre le fasi

Protezione delle apparecchiature di controllo

Per proteggere le apparecchiature di controllo, i progettisti di impianti possono avvalersi della serie PGR-8800 di Littelfuse. PGR-8800-00 (Figura 2) è un relè basato su MPU in grado di monitorare gli armadi delle apparecchiature di controllo con un sensore puntuale in linea di vista PGA-LS10, fornendo così protezione dall'arco elettrico e identificazione della posizione del guasto. Inoltre, il condotto sbarra posteriore può essere monitorato da un sensore a fibre ottiche PGA-LS20 o PGA-LS30. PGR-8800-00 rileva la luce di un arco elettrico in meno di 1 ms e include una soglia di intervento regolabile per compensare le condizioni di luce ambiente e ridurre al minimo i falsi interventi.

Figura 2: PGR-8800-00 può utilizzare una serie di sensori per identificare un arco elettrico in meno di 1 ms. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse, Inc.)

Protezione dei generatori

Il relè per arco elettrico AF0100 di Littelfuse può essere utilizzato per la protezione dei generatori. È progettato per l'uso con i sensori ottici PGA-LS20 / PGA-LS30 e con i sensori puntuali PGA-LS10. Può spegnere il generatore e far scattare l'interruttore, scollegando il dispositivo difettoso dalla rete elettrica. È progettato per operare in ambienti con forti vibrazioni e vincoli di spazio.

Protezione multizona

I progettisti di strutture possono combinare diversi relè AF0500 per coprire più zone con scalabilità illimitata. Inoltre, i relè AF0500 possono essere collegati ai relè AF0100, più economici, per ottimizzare il rapporto prezzo/prestazioni nei sistemi di protezione da arco elettrico multizona (Figura 3).

Figura 3: I relè AF0500 possono essere utilizzati da soli, in combinazione con altri AF0500 e con i relè AF0100 per ottimizzare le prestazioni delle installazioni multizona. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse)

Conclusione

Sia NEC che OSHA riconoscono i pericoli associati al verificarsi di un arco elettrico e prevedono requisiti che devono essere rispettati negli ambienti industriali. Solitamente viene utilizzata la norma IEEE 1584 per valutare i livelli di corrente potenzialmente in grado di attivare archi elettrici o meccanici e per determinare la protezione necessaria. Come illustrato, esistono relè di protezione dall'arco elettrico che possono essere utilizzati per fornire una protezione avanzata in numerosi scenari applicativi.

Riferimento:

1: L'incidente nel data center di Google mette in evidenza i rischi associati a eventi di arco elettrico