Tenuta all'arco interno (IAC) per sbarre di quadri in bassa tensione: guida ingegneristica a IEC 61439-1 e IEC 61641

1. Cosa è davvero il contenimento dell'arco interno (IAC)

Un arco interno si forma quando si verifica un guasto fase-fase o fase-terra dentro l'assieme metallicamente chiuso, di solito in un giunto della sbarra, in una terminazione cavo o in un supporto isolante danneggiato. La corrente di guasto è limitata dal trasformatore e dagli interruttori a monte; finché il dispositivo di protezione non scatta, l'arco stesso è un canale plasma di migliaia di gradi che riscalda, ionizza e pressurizza l'aria dentro il cubicolo.

Il contenimento dell'arco interno è la capacità del quadro assemblato di sopportare quell'arco per la sua durata di prova dichiarata senza, sui lati accessibili, incendiare la garza indicatrice, espellere parti che potrebbero ferire il personale in piedi o compromettere l'integrità dell'involucro. È una tariffa di sopravvivenza dell'apparecchiatura e di contenimento del confine, non una tariffa che dice che una persona può stare davanti alla porta durante il guasto. Questa distinzione conta perché i buyer spesso scrivono "I-rated" su uno schema unifilare e danno per scontato che copra i DPI arc-flash, cosa che non fa. La frammentazione la copriamo nel nostro archivio riferimenti normativi e la riprendiamo nella sezione 11 di questa guida.

Il comma 7.7.3 di IEC 61439-1:2020 definisce la designazione IAC opzionale. Se un costruttore sceglie di dichiararla, l'assieme deve essere provato di tipo secondo IEC 61641, la guida dedicata alle prove per assiemi in bassa tensione in condizioni di arco interno. Se non viene fatta alcuna dichiarazione, la frase "arco interno" semplicemente non si applica a quell'involucro.

2. La designazione IAC opzionale IEC 61439-1 decodificata

Una designazione IAC su targhetta è un codice compatto costruito da quattro informazioni: il lato o i lati accessibili provati, la corrente di prova, la durata e il metodo di innesco dell'arco. Una designazione completa tipica si legge IAC-A, AFLR, 30 kA, 1 s, IAC. Ogni token ha un significato specifico, e lasciarne fuori uno lascia un buco che il cliente deve riempire per telefono.

La lettera del lato accessibile dice dove viene posta la garza di cotone testimone intorno al cubicolo durante la prova. La lettera A significa che la garza è posta su tutti e quattro i lati, il top e il fondo; B restringe la prova a fronte, lati e top; C la restringe al solo fronte. Un lato retro "R" viene aggiunto quando il cubicolo è destinato a essere appoggiato a muro o dietro una barriera a maglia che il personale non attraversa normalmente.

Le lettere dopo il trattino - spesso scritte FL per fronte-sinistra, FR per fronte-destra, FLR, AFLR, e così via - elencano esattamente quali facce sono coperte dalla garza indicatrice. Se il cubicolo sarà installato a muro sul retro, la richiesta di una tariffa R si può togliere dalla specifica, ma si deve poi verificare per iscritto che il confine di installazione corrisponda al confine di prova. Mescolare una prova solo fronte con un'installazione a pavimento dove i lati sono percorribili è una non-conformità comune che si trova durante l'accettazione in fabbrica.

3. Leggere una tariffa IAC a colpo d'occhio

La tabella seguente riassume i quattro campi che un buyer deve leggere sulla targhetta o sul certificato di prova di tipo. Si tratti ciascuna riga come una dichiarazione separata e indipendentemente verificata - un armadio che passa 30 kA/1 s sul fronte non è automaticamente un armadio da 50 kA/1 s sui lati.

Da questa tabella derivano due note ingegneristiche. In primo luogo, la durata conta di più della corrente di picco in pratica: una prova 30 kA/1 s espone l'involucro a circa nove volte l'I²t di una prova 30 kA/0,3 s, perché l'energia termica scala con I²t. In secondo luogo, le prove in zona sbarra e in zona cavi sono eventi separati. Un cubicolo che è stato provato solo con l'arco innescato sul lato sbarra non può ritenersi sicuro nella zona cablaggio, dove capi di conduttore sciolti e capicorda terminali sono fonti altrettanto probabili.

4. Cosa succede dentro un cubicolo durante un arco interno

Quando l'arco si innesca, tre cose accadono in rapida successione. La colonna dell'arco surriscalda l'aria nel suo percorso immediato; quell'aria si espande e viene compressa dall'aria circostante più fredda, generando un fronte di pressione che si propaga verso l'esterno a velocità prossima a quella del suono. Allo stesso tempo, il rame e l'acciaio vicino all'arco si fondono e vaporizzano, aggiungendo vapore metallico che alza la tensione d'arco e sostiene il plasma. Infine, il calore irraggiato sulle pareti dell'involucro brucia la vernice, deforma le lamiere sottili, e può incendiare qualsiasi materiale isolante non esso stesso resistente all'arco.

I rialzi di pressione tipici misurati dentro un cubicolo sigillato da 400 A durante una prova ad arco da 30 kA raggiungono diversi kPa nei primi 50 ms, con picco vicino a 10-20 kPa prima che lo sfogo pressione apra. Un carico uniforme di 2 kPa su una porta da 2 m × 0,6 m è già dell'ordine di 2.400 N - abbastanza per far saltare un notare a quarto di giro standard se le cerniere e i perni di chiusura non sono dimensionati per l'evento. È per questo che IEC 61641 richiede che porte e coperchi restino chiusi (o, dove sono progettati per aprirsi, che si aprano in una direzione controllata lontano dal personale).

L'energia termica rilasciata durante un arco da un secondo a 30 kA è dell'ordine di decine di MJ. La maggior parte diventa gas caldo che deve andare da qualche parte. Se l'involucro non ha un percorso di sfogo dedicato, quel gas trova il giunto più debole - di solito la battuta della porta, la piastra pressacavi o una vite del coperchio superiore - e ne esce, spesso come getto direzionato di fiamma e particelle ardenti. La garza indicatrice posizionata intorno all'armadio è il testimone standard per capire se quel getto raggiunge una persona.

5. Energia d'arco e sovrapressione: il quadro di calcolo ingegneristico

I costruttori e gli assemblatori di quadri non si affidano solo alla prova; dimensionano l'involucro e il percorso di sfogo a monte con stime di primo ordine. L'energia d'arco rilasciata durante la durata è approssimata come E_arco = V_arco × I_arco × t_arco, dove V_arco è la tensione d'arco stimata (circa 250-400 V per un arco trifase in bassa tensione, a seconda della lunghezza d'arco). Per un arco da 30 kA, 1 s a 350 V di tensione d'arco, E_arco ≈ 10,5 MJ. Solo una frazione riscalda il gas dentro il comparto; il resto irraggia sulle pareti e fonde i conduttori.

Il rialzo di pressione risultante in un volume chiuso è quindi stimato dal riscaldamento del gas ideale: ΔP / P₀ ≈ ΔT / T₀, dove T₀ è circa 293 K. Anche un modesto rialzo di temperatura del gas di 800 K nel comparto dà un rapporto di pressione di circa 3,7, cioè una pressione assoluta vicino a 3,7 bar dentro, prima che qualsiasi valvola di sfogo apra. È per questo che i comparti sigillati senza percorsi di sfogo pianificati quasi sempre falliscono una prova IAC - la pressione trova la propria via d'uscita attraverso il giunto più debole, e la garza indicatrice prende fuoco.

Questi numeri di primo ordine non sono un sostituto della prova di tipo. Sono il punto di partenza che dice al progettista quanto grande deve essere l'area di sfogo, quanto forte deve essere il notaro della porta, e quanto compartimentazione serve. Pubblichiamo i calcoli correlati di tenuta al cortocircuito nella nostra guida ingegneristica alla tenuta al cortocircuito, che è la lettura gemella naturale di questa.

6. Canali di sfogo pressione e progettazione delle bocchette di espulsione

Una prova IAC superata si basa quasi sempre su un percorso di sfogo pressione pianificato. L'approccio standard è una falda incernierata superiormente o un diaframma frangibile sul tetto del comparto sbarre, dimensionato per aprirsi a una sovrapressione prefissata (spesso nell'intervallo 3-8 kPa) e per indirizzare il gas caldo verso l'alto, lontano dal personale in piedi. La bocchetta deve aprire prima della battuta della porta; altrimenti il gas esce lateralmente lungo la fronte dell'armadio.

Tre scelte di progetto guidano le prestazioni. In primo luogo, l'area della bocchetta va abbinata al volume del comparto e all'energia d'arco attesa; bocchette sottodimensionate lasciano che la pressione raggiunga il picco prima di aprire, bocchette sovradimensionate possono far perdere abbastanza flusso di ventilazione normale da causare interventi intempestivi del sistema di protezione nella stagione calda. In secondo luogo, il condotto sopra la bocchetta deve instradare l'espulsione in un luogo sicuro - di solito il plenum a soffitto o all'esterno dell'edificio - e non deve scaricare sopra una passerella o una scala di accesso. In terzo luogo, la falda stessa deve restare attaccata all'armadio; IEC 61641 tratta le parti staccate come un cedimento, anche se la porta resta chiusa.

Per installazioni in locali confinati, il condotto di espulsione diventa parte della progettazione civile del cliente, non del fornitore del quadro. È un gap frequente nelle specifiche di progetto: l'armadio è provato con una bocchetta libera in sommità, ma in sito si installa un breve gomito a 90 gradi a 300 mm sopra la falda, che mette in contropressione il percorso di sfogo e fa sollevare la porta. Quando ci si rivolge a noi per uno studio su misura di sbarra e involucro, ci si assicuri che la geometria del condotto come installato sia sul disegno prima che l'armadio venga ordinato.

7. Compartimentazione: segregazione orizzontale e verticale delle sbarre

La compartimentazione è la leva lato sbarra più efficace per tenere localizzato un arco interno. Una progettazione completamente segregata separa la camera orizzontale delle sbarre, le camere di risalita verticali, i comparti degli interruttori e le camere dei cavi in celle distinte in metallo o isolamento solido, collegate da boccole schermate corte. Un arco che inizia in una cella ha molte più difficoltà a propagarsi alla successiva, perché non c'è un percorso d'aria aperto continuo.

Due scelte geometriche meritano attenzione. La distanza in aria fase-fase conta: a 400 V, un minimo di circa 20-25 mm d'aria libera tra bordi nudi di rame è il punto di partenza comune prima di aggiungere le barriere, e distanze maggiori alzano la probabilità che un arco di tracking si estingua da solo piuttosto che saltare alla fase adiacente. Conta anche l'intervallo di supporto della sbarra; una sbarra non supportata abbastanza a lungo da vibrare durante un guasto franco può toccare momentaneamente una barra vicina e innescare esattamente l'arco che il comparto sta cercando di prevenire.

La logica di dimensionamento di clearance e creepage la copriamo in un articolo separato su progettazione di creepage e clearance; il punto qui è che clearance, intervallo di supporto e disposizione delle barriere sono tre input dello stesso esito IAC, e indebolire uno qualsiasi invalida l'effetto compartimento.

8. Barriere di fase, sbarra isolata e sbavatura dei bordi

Dentro un comparto, diverse scelte progettuali più piccole si sommano per sopprimere l'innesco dell'arco in primo luogo. Le barriere di fase sono piastre rigide in fenolico, poliestere o rinforzato vetro montate tra fasi adiacenti, di solito fissate al binario di supporto. Non sostituiscono la distanza in aria minima - aggiungono un ostacolo fisico che costringe qualsiasi percorso di tracking in sviluppo a fare flash superficiale lungo il materiale della barriera, che è tipicamente più lento e più facile da interrompere di un gap d'aria.

La sbarra isolata - guaina termorestringente sul rame, vernice epossidica in polvere o avvolgimento in film laminato - rimuove la superficie nuda del rame come superficie di tracking primaria. Una sbarra laminata e isolata come quelle integrate nei nostri assiemi di sbarre per quadri BT è particolarmente utile nei cubicoli densi, perché il dielettrico PET o Nomex previene un contatto accidentale tra barre adiacenti durante la manutenzione e riduce la probabilità che un utensile caduto inneschi un guasto fase-fase. L'isolamento, tuttavia, non rende la sbarra a prova d'arco: una volta che l'arco è partito, il film brucia via rapidamente.

Il controllo di bordi e bave è il contributo più silenzioso. Un bordo di taglio netto o una bave lasciata dopo la foratura agisce come un intensificatore di campo locale, particolarmente a tensioni sopra i 690 V e in siti interni umidi. Smussare i fori punzonati, sbavare i bordi di taglio e controllare la rugosità superficiale dei giunti stagnati riduce l'innesco delle scariche parziali e abbassa la probabilità di un lento cedimento per tracking che si sviluppa in arco completo. Il versamento diagnostico lo copriamo nella nostra guida al monitoraggio delle scariche parziali; la checklist lato produzione vive sulla nostra pagina qualità e ispezioni.

9. AntivAllentamento dei bulloni e supporti isolanti resistenti all'arco

La maggior parte degli archi interni non si innesca a una curva progettata con cura; si innesca a un giunto bullonato che si è allentato in servizio, oppure a un supporto isolante che si è crepato e ha iniziato a fare tracking. I bulloni della sbarra sui giunti da 400-1.000 A vanno serrati alla coppia specificata dal fornitore e marcati con una linea di vernice testimone, così che un bullone che si allenta sia visibile in un'ispezione a raggi infrarossi o termografica. Le sole rondelle elastiche non sono adeguate sui giunti ad alta corrente in ambienti vibranti; dadi autobloccanti a molla, dadi a coppia prevalente o fermi saldati sono le scelte usuali.

Il supporto isolante che regge la sbarra è il secondo punto debole. Un distanziatore generico in nylon o PA66 si ammorbidisce a temperature ben inferiori a quelle che un arco interno produce, e una volta che perde resistenza meccanica la sbarra cade sul fondo dell'armadio. I supporti resistenti all'arco sono stampati in BMC, DMC o resina epossidica con una resistenza al filo incandescente classificata (tipicamente ≥ 960 °C) e una resistenza all'erosione da tracking che permette loro di sopravvivere all'arco senza far collassare la sbarra. Quando si specificano supporti di ricambio per una linea di quadri esistente, si confermi il valore del filo incandescente, non solo il colore.

I cicli termici, il servizio di cortocircuito e il rilassamento dei bulloni interagiscono tutti sullo stesso giunto. Il nostro articolo su progettazione di vibrazioni e giunti bullonati percorre la logica di selezione della bulloneria; per gli armadi sensibili alla IAC, il giunto va specificato una volta, e la coppia, il dispositivo di bloccaggio e il materiale dell'isolatore vanno tutti richiamati sullo stesso disegno di dettaglio.

10. Criteri di accettazione prima e dopo la prova

IEC 61641 definisce cosa conta come passaggio. La prova non riguarda solo la sopravvivenza dell'involucro; riguarda una lista di condizioni osservabili sulla garza indicatrice, sull'hardware della porta e sulla manutenibilità interna. La tabella seguente è la checklist che un laboratorio terzo percorre dopo che l'arco si è spento e il cubicolo si è raffreddato.

Si noti che l'armadio non è richiesto che resti indenne. Una certa deformazione, bruciatura della vernice e un leggero scioglimento localizzato di parti non funzionali sono attesi e ammessi, purché sussistano le condizioni di passaggio elencate. I clienti non dovrebbero chiedere un criterio di accettazione "indenne dopo l'arco" - non è ciò che la prova IAC dimostra. Ciò che dovrebbero chiedere è il certificato di prova, la documentazione fotografica della garza indicatrice su ogni faccia, e il disegno come provato, così che l'armadio come costruito corrisponda a quello provato.

11. IAC vs IEEE 1584 e NFPA 70E: tenuta dell'apparecchiatura vs protezione del personale

Questo è il punto di confusione più comune sui disegni ingegneristici, e vale la pena separare nettamente le due idee. IEC 61439-1 IAC descrive il comportamento dell'apparecchiatura durante un arco interno: l'armadio contiene l'evento, il gas caldo è instradato attraverso la bocchetta, e il personale in piedi fuori dall'armadio sui lati accessibili non viene ustionato dall'accensione della garza. Non calcola un numero di energia incidente a una distanza di lavoro, e non dice a un ingegnere di manutenzione quale DPI indossare mentre inserisce un interruttore.

IEEE 1584-2018 e NFPA 70E descrivono il lato personale: l'energia incidente prevista in cal/cm² a una distanza di lavoro (tipicamente 450 mm per quadri BT), il corrispondente confine di arc-flash, e la categoria di DPI richiesta per un lavoratore che esegue lavori in tensione. Questi calcoli assumono che l'arco accada indipendentemente dal fatto che l'involucro sia IAC; un armadio con tariffa IAC produce comunque un arco al suo interno, e un lavoratore che apre la porta prima che l'armadio sia completamente spento e verificato può comunque restare esposto.

Una lettura pratica: un involucro con tariffa IAC riduce la probabilità che un arco interno diventi un incendio a livello di stanza o una lesione da proiezione, ma non di per sé fissa il confine di arc-flash. Serve ancora uno studio IEEE 1584 sul sistema specifico, e serve ancora che il lavoratore indossi i DPI che lo studio detta. I due standard sono complementari, non intercambiabili. I buyer che vogliono entrambi di solito scrivono sulla specifica: "IAC-AFLR, 30 kA/1 s secondo IEC 61439-1 / IEC 61641, più studio dell'energia incidente IEEE 1584 consegnato in FAT".

12. Scrivere i requisiti IAC sul disegno del quadro

Specificare la IAC su un disegno è semplice una volta riempiti i quattro campi della sezione 3. Una clausola pulita si legge: "Gli assiemi di quadri in bassa tensione devono essere conformi a IEC 61439-1:2020 e devono essere classificati per arco interno IAC-AFLR a 30 kA per 1 s, provati secondo IEC 61641 con l'arco innescato sia nel comparto sbarre orizzontale sia nel comparto cavi. Il rapporto di prova di tipo da un laboratorio terzo accreditato deve essere consegnato in FAT. I disegni come costruiti devono corrispondere alla configurazione provata."

Vale la pena fare tre aggiunte. In primo luogo, si dichiari il confine di installazione: se l'armadio sarà a muro sul retro, una tariffa lato B o C può essere accettabile, ma il retro del cubicolo deve quindi essere bullonato direttamente a un muro solido, non lasciato esposto in un corridoio. In secondo luogo, si richieda che il layout del condotto di espulsione sia approvato come parte della sottomissione, così che il percorso della bocchetta come installato corrisponda a quello provato. In terzo luogo, si richiamino i dettagli del comparto sbarre: distanza minima fase-fase, presenza di barriere di fase, classe del filo incandescente dell'isolatore, e valori di coppia della bulloneria. Sono i dettagli che il nostro team ingegneristico tipicamente rivede con un cliente quando questi ci invia un disegno per una quotazione.

Per i progetti in cui il livello di guasto a monte è ancora in via di definizione, si scriva un valore placeholder I_arco e si richieda all'offerente di quotare opzioni a 16 kA, 30 kA e 50 kA. Il costo incrementale per passare da 30 kA a 50 kA è di solito piccolo rispetto al costo di un aggiornamento post-messa in servizio, e protegge se l'utility aumenterà in seguito il contributo di guasto dall'impedenza del trasformatore. Le checklist dal lato specifico correlate le discutiamo nella nostra guida make-vs-buy per sbarre.

13. Cosa un fornitore di sbarre può - e non può - promettere

Un fornitore di sbarre laminati o isolati non, di per sé, consegna un assieme di quadro con tariffa IAC. La tariffa IAC è una proprietà del cubicolo assemblato: l'involucro in lamiera, la serratura della porta, la falda di sfogo, le barriere del comparto, i supporti e le sbarre devono funzionare insieme. Ciò che il fornitore di sbarre controlla è la parte del rischio di innesco d'arco che siede sul rame stesso: qualità del bordo, continuità dell'isolamento, planarità del giunto e intervallo di supporto.

In SHANYU, lavoriamo con costruttori di quadri e appaltatori EPC per progettare corredi di sbarre compatibili con la loro piattaforma di involucri provati IAC: rame C11000 stagnato, bordi sbavati e smussati, guaine isolanti PET o Nomex secondo il layout barriere del cliente, e pattern di foratura supporti che si abbinano ai blocchi isolanti resistenti all'arco. Noi non emettiamo un certificato IAC per l'involucro; quello resta responsabilità della prova di tipo del fornitore dell'assieme, testimoniata da un laboratorio accreditato secondo IEC 61641. Possiamo tuttavia supportare quel programma di prova terzo fornendo campioni di sbarra rappresentativi, fornendo i disegni di installazione e assistendo alla prova come osservatori se richiesto.

Due note pratiche per i buyer. In primo luogo, quando il progetto a monte è un carico industriale dietro-contatore o un'installazione di ricerca a potenza impulsata, il livello di guasto disponibile e il modello di accesso alla manutenzione differiscono da un locale quadri commerciale standard, e la selezione del lato IAC va rivista piuttosto che copiata da un progetto precedente. In secondo luogo, per i siti in cui il carico si sta spostando dal calore di processo fossile all'elettrico, come nelle nostre note di caso sull'elettrificazione industriale, l'alimentatore in ingresso vede spesso un aumento di un passo del livello di guasto, che è il momento per rivedere se la tariffa IAC esistente copre ancora l'installazione aggiornata.

Azioni da intraprendere prima della prossima RFQ: confermare la corrente di cortocircuito prevedibile a monte, scegliere la tariffa del lato accessibile che corrisponde all'installazione fisica, richiedere sia i punti di prova in zona sbarra sia quelli in zona cavi, e chiedere al fornitore del quadro il numero del certificato di prova di tipo e il disegno come provato. Si porti il disegno di dettaglio della sbarra in quella conversazione per tempo; il giunto tra la sbarra isolata e la barriera del comparto è dove la maggior parte degli archi sul campo inizia davvero.