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— GUIDA TECNICA PERICOLI DA ARCO ELETTRICO Soluzione integrata Emax 3
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INDICE
002 – 003 1. Introduzione
004 – 006 2. Cause degli archi elettrici
007 – 008 3. Conseguenze e pericoli
009 – 012 4. Norme e quadro regolamentare
013 – 016
5. Valutazione dei rischi di arco elettrico e strategie di mitigazione 6. Soluzione integrata Emax 3 per gli archi elettrici 7. Configurazione tramite Ekip Connect
017 – 018
019 – 021
022 – 027 8. Installazione del rilevatore di archi
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PERICOLI DA ARCO ELETTRICO
— 1. Introduzione
Tra i rischi più significativi associati all'energia elettrica vi è la formazione di shock e archi elettrici. Gli shock si verificano con maggiore frequenza e possono causare lesioni quali ustioni da lievi a gravi, danni permanenti e persino la morte. L'arco elettrico provoca solitamente ustioni gravi e invalidanti e può anche rivelarsi fatale. È considerato uno degli infortuni sul lavoro più letali.
Quello dell'arco elettrico è un fenomeno che comporta il rilascio improvviso di energia, con pericolose conseguenze. Gli archi elettrici sono particolarmente rischiosi a causa degli elevatissimi livelli di corrente ed energia coinvolti, che rappresentano non solo un significativo rischio
operativo, ma anche una seria minaccia per la sicurezza del personale. I pericoli legati agli archi elettrici si riferiscono specificamente al rischio che questo fenomeno comporta per le persone che lavorano sui componenti elettrici energizzati o nelle loro vicinanze. Il principale tipo di lesione
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GUIDA TECNICA
Questo white paper fornisce una panoramica sugli archi elettrici, illustrandone le cause e l'impatto sia sul personale che sulle apparecchiature. Esamina le norme e i quadri regolamentari fondamentali in merito ai rischi di arco elettrico e sottolinea i principali metodi utilizzati per mitigare i rischi associati. Infine, introduce una nuova soluzione integrata nell'Emax 3.
associata al fenomeno di arco elettrico è l'ustione termica, la cui potenziale gravità può essere quantificata tramite vari metodi riconosciuti. Ulteriori lesioni e rischi per la salute possono però derivare anche da onde di pressione, suoni intensi, detriti scagliati in aria, vapori tossici, luce intensa e cause indirette come cadute. Gli incidenti da arco elettrico sono prevenibili, poiché sono spesso causati da misure di sicurezza inadeguate, mancanza di formazione o gestione impropria degli impianti elettrici.
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PERICOLI DA ARCO ELETTRICO
— 2. Cause degli archi elettrici
Cause Un arco elettrico si verifica quando la corrente scorre nell'aria tra due conduttori sotto tensione (fase-fase o fase-terra), creando un cortocircuito. Se non vengono risolti tempestivamente, tali guasti possono trasformarsi in guasti trifase, la forma più grave di guasto da arco elettrico. Gli archi elettrici si verificano spesso in conseguenza di interventi umani nel corso di operazioni eseguite sotto tensione e sono in genere dovuti a disatten- zione, formazione insufficiente o mancato rispetto di quanto stabilito nei protocolli di sicurezza e nelle misure protettive. Ecco alcuni esempi comuni: - uso o manipolazione impropri degli utensili, come ad esempio la caduta accidentale di utensili su barre sotto tensione;
I guasti da arco elettrico possono verificarsi però anche a causa di fattori non umani, come: - Contaminazione : polvere, umidità o altre impurità sulle superfici delle parti sotto tensione possono ridurre la resistenza di isolamento, tra conduttori o tra conduttore e terra, innescando potenzialmente la forma- zione di archi in presenza di sovraccarichi o sovratensioni; - Corrosione : il deterioramento dei terminali dei conduttori energizzati può indebolire i contatti elettrici, favorire l'ossidazione e aumentare la probabilità di formazione di archi elettrici tra conduttori sotto tensione; - Sovratensioni : le sovratensioni transitorie o prolungate, in particolare in spazi ristretti o all'interno di armadi elettrici, possono innescare archi elettrici in assenza di un isolamento o di una spaziatura adeguati.
- operazioni manuali come l'inserimento/ estrazione dal rack di apparecchiature estraibili. - chiusura degli interruttori automatici in condizioni di guasto o cortocircuito.
Guasto all'arco parallelo
Arco parallelo (fase-fase)
Fase
I
Arco
Carico
Arco in serie
I
Arco
Carico
Neutro
Arco parallelo (fase-terra)
Fase
Carico
I
Arco
I
Carico
Neutro
Arco
Messa a terra
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GUIDA TECNICA
Una delle cause più frequenti di archi elettrici è la presenza accidentale di un oggetto conduttivo lasciato all'interno del quadro durante la manuten- zione o le operazioni manuali. In condizioni normali, l'aria atmosferica non è conduttiva e agisce da isolante. Quando però un oggetto conduttivo viene involontariamente posizionato tra i conduttori, o tra un conduttore e la terra, la distanza di isolamento viene improvvisamente ignorata o ridotta. Questa situazione può dare origine a due scenari distinti che innescano la formazione di un arco elettrico. Nel primo scenario, l'oggetto crea un cortocircuito diretto, con il conseguente passaggio di una grande quantità di corrente di guasto. Questa corrente improvvisa e intensa genera una notevole quantità di energia termica, che riscalda rapidamente l'aria circostante. A temperature sufficientemente elevate si verifica la ionizzazione termica: gli elettroni acquisiscono energia sufficiente per sfuggire alle molecole d'aria, generando elettroni liberi e ioni caricati positivamente. In questo stato ionizzato, l'aria diventa conduttiva e permette il passaggio della corrente attraverso il plasma sotto forma di arco elettrico. Nel secondo scenario, l'oggetto non collega diret- tamente i conduttori, ma riduce la distanza fisica tra di essi o introduce elementi (come bordi affilati o polvere conduttiva) che intensificano localmente il campo elettrico. Con la diminuzione della separa- zione, il campo elettrico può superare la forza die- lettrica dell'aria. Una volta superata questa soglia,
il campo elettrico diventa sufficientemente intenso da liberare gli elettroni dalle molecole d'aria, dando inizio alla ionizzazione. Il plasma risultante trasforma l'aria in un mezzo conduttivo, innescando un arco elettrico.
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Elettroni
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Ioni positivi
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PERICOLI DA ARCO ELETTRICO
— 2. Cause degli archi elettrici
Fasi della formazione di un arco elettrico La formazione di un arco elettrico all'interno dell'apparecchiatura, è un processo complesso che dipende fortemente dalla geometria interna del comparto. I principali fattori che influiscono sul fenomeno includono la larghezza, la profondità, la presenza e la posizione delle barriere interne, l'orientamento dei conduttori nella formazione degli archi e la direzione del flusso di potenza. La descri- zione fornita di seguito è un modello semplificato volto a offrire una comprensione generale dei prin- cipali fenomeni fisici che interessano la formazione di un arco elettrico. Non tiene conto di tutte le variabili che possono influenzare lo sviluppo della pressione e i danni negli impianti reali. Fase di compressione Durante la fase di compressione, l'arco elettrico genera un calore notevole, facendo sì che l'aria più vicina all'arco diventi molto più calda di quella più lontana. Man mano che l'arco continua a bruciare, l'energia termica si diffonde in modo più uniforme nel cubicolo per convezione e radiazione. Tale riscal- damento consente alle molecole di aria all'interno del cubicolo di muoversi più velocemente e di scon- trarsi con maggiore energia, determinando un aumento della pressione interna. Fase di espansione Questo rapido aumento della pressione provoca infine un guasto meccanico del cubicolo, con con- seguente formazione di un foro o di una rottura. L'aria surriscaldata, ad alta pressione, inizia a fuoriu- scire da questa apertura, segnando l'inizio della fase di espansione. Da questo punto la pressione interna diminuisce poiché l'aria calda fuoriesce e si espande all'esterno del cubicolo.
Fase di emissione Durante la fase di emissione si stabilisce un equili- brio dinamico all'interno del cubicolo. L'arco elet- trico continua a rilasciare energia, mantenendo una pressione interna elevata (anche se inferiore rispetto alla fase di espansione), mentre i gas caldi fuoriescono dalla rottura. Questo continuo apporto di energia compensa la perdita di gas, mantenendo pressoché costante l'elevata pressione interna per tutta la fase. Fase termica Durante la fase termica, il calore intenso generato dall'arco può comportare l'erosione dei metalli e dei materiali isolanti circostanti. Questi materiali pos- sono evaporare e, in alcuni casi, formare goccioline fuse di metallo o di materiale isolante. Inoltre, le temperature estremamente elevate pro- vocano la decomposizione termica dei materiali circostanti, con conseguente rilascio di gas e fumi come sottoprodotti della fusione o della decompo- sizione chimica. Questa fase termica finisce solo quando il circuito viene arrestato da un interruttore automatico. I danni derivanti da questa fase possono interes- sare i materiali all'interno del quadro, richiedendo frequenti interventi di manutenzione o sostituzione dei componenti
Tempo (ms)
fino all'estinzione dell'arco
3-10
5-10
50-100
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GUIDA TECNICA
— 3. Conseguenze e pericoli
Pressione Gli archi elettici generano una pressione immensa, con una forza pressoché equivalente al peso di un'auto. Negli esseri umani, gli effetti diretti di questa pressione includono traumi da corpo contundente, rottura del timpano e lesioni degli organi interni. Negli impianti elettrici, la pressione può causare danni alle apparecchiature, come fori nelle strutture o danni alle apparecchiature stesse. Suono La forza dell'onda di pressione generata da un arco elettrico è spesso accompagnata da un'intensa onda d'urto. I livelli sonori generati da un arco elettrico possono diventare straordinariamente elevati, spesso pari a 160 dB, ovvero notevolmente più alti
Il verificarsi di archi elettrici all'interno dei quadri può portare a gravi conseguenze, compromettendo sia la sicurezza del personale sia l'integrità delle apparecchiature. Temperatura La temperatura generata da un arco elettrico può raggiungere i 7000-8000 °C e, in condizioni estreme, può superare i 20.000 °C, circa quattro volte la temperatura superficiale del sole. Per gli esseri umani un calore così intenso può causare gravi ustioni, dal primo al terzo grado, anche a distanza. Negli impianti elettrici, queste temperature possono portare a gravi danni, tra cui la fusione dei conduttori, la deformazione dei com- ponenti e un elevato rischio di incendio, con un potenziale guasto totale delle apparecchiature.
Espansione rapida del gas caldo
Vapore di rame
20.000 °C
Frammenti di metallo fuso
Luce intensiva UV, OV
Onde di pressione
Limite dell'arco elettrico
Onde sonore
Spazio ristretto
Spazio limitato
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PERICOLI DA ARCO ELETTRICO
— 3. Conseguenze e pericoli
Gas tossici I gas prodotti dalla combustione di materiali isolanti e da metalli fusi o vaporizzati possono essere tossici. Per gli esseri umani, questi fumi, prodotti dalla combustione incompleta di materiali isolanti e dalla vaporizzazione di metalli, possono rilasciare sostanze tossiche, come particelle di carbonio e altri solidi sospesi nell'aria. L'inalazione di questi gas può cau- sare problemi respiratori, ustioni chimiche e danni polmonari a lungo termine. Negli impianti elettrici, sebbene i fumi non danneg- gino direttamente i componenti, il depositarsi di par- ticelle conduttive o corrosive sulle superfici può con- tribuire nel tempo al degrado delle apparecchiature. L'energia rilasciata dall'arco elettrico aumenta esponenzialmente nel tempo. È importante arre- starla il prima possibile per ridurre le conseguenze negative sia sulle apparecchiature che sul personale.
del suono di un colpo di fucile (in genere intorno ai 130 dB). Questo rumore intenso può causare l'immediata perdita dell'udito, danni al timpano o gravi problemi uditivi. Metallo fuso e schegge Gli archi elettrici possono comportare l'espulsione di frammenti di metallo fuso, schegge e gas caldi dall'impianto elettrico, a velocità simili a quelle di un aereo a reazione (1100 km/h). Per gli esseri umani questi frammenti non solo rappresentano una minaccia per gli occhi, in quanto possono penetrare la cornea e causare cecità perma- nente, ma diventano veri e propri proiettili, perforando gli indumenti protettivi, comprese le giacche anti- arco, e provocando gravi ferite paragonabili a quelle da arma da fuoco. Negli impianti elettrici, il metallo fuso e le schegge possono danneggiare componenti come cavi e interruttori automatici, provocando ulteriori guasti. Radiazione Gli archi elettrici emettono radiazioni ultraviolette (UV) e infrarosse (IR), che possono causare gravi danni. Per quanto riguarda gli esseri umani, le radiazioni UV possono danneggiare la cornea e la retina, con potenziale perdita temporanea o permanente della vista, mentre le radiazioni IR possono causare ustioni sulla pelle esposta. Negli impianti elettrici, il calore intenso associato alle radiazioni infrarosse può contribuire al deterio- ramento dei materiali circostanti, come l'isolamento o i componenti in plastica.
Energia kA2 S
0,2 s fusione acciaio
0,15 s fusione rame
0,1 s fusione cavi
0 30 100 150 200 700 800 900 1 s
Tempo totale di risoluzione (ms)
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GUIDA TECNICA
— 4. Norme e quadro regolamentare
Il rischio di formazione di un arco elettrico si verifica principalmente durante i lavori elettrici e rappre- senta un problema di sicurezza significativo per chi lavora con gli impianti elettrici energizzati o nelle loro vicinanze. Una corretta gestione di questi rischi è essenziale per prevenire infortuni e decessi sul posto di lavoro.
Molti paesi hanno istituito quadri regolamentari, norme e linee guida per incoraggiare o rendere obbligatoria la valutazione dei rischi e l'implemen- tazione di misure di controllo appropriate, al fine di ridurre gli eventuali infortuni a danno degli elet- tricisti che lavorano in ambienti esposti ai pericoli elettrici. In ogni caso, l'approccio nei confronti del rischio di arco elettrico varia notevolmente a seconda dei diversi quadri normativi. In alcuni paesi, le norme nazionali affrontano specificamente la valutazione e la mitigazione dei rischi di arco elettrico, offrendo indicazioni dettagliate su come valutare e gestire tali rischi. Al contrario, altre norme forniscono linee guida di sicurezza più generali che, anche se non si concentrano esplicitamente sulla formazione di archi elettrici, contengono comunque principi applicabili ai relativi rischi. Queste raccomandazioni più ampie sottolineano l'importanza di proteggere i lavoratori all'interno degli impianti elettrici e nelle loro vicinanze mediante l'individuazione dei pericoli, la valutazione dei rischi e l'implementazione di effi- caci misure di controllo di tali rischi, quali attrezza- ture e pratiche di lavoro adeguate, nonché idonei dispositivi di protezione individuale (DPI). Nonostante le differenze relative al grado di detta- glio in merito ai rischi di arco elettrico, l'obiettivo di fondo rimane lo stesso: garantire la sicurezza dei lavoratori individuando e mitigando i potenziali rischi associati agli impianti elettrici. 1. Norme europee: EN 50110-1 In Europa, la norma EN 50110-1 regola il funziona- mento degli impianti elettrici e fornisce un quadro per la valutazione dei pericoli elettrici, tra cui i rischi di arco elettrico. La sezione B.6 dell'allegato B pre- scrive una valutazione del rischio di arco elettrico ogniqualvolta si svolge un lavoro in prossimità di un impianto elettrico o in condizioni di tensione. La norma descrive anche l'uso di dispositivi di pro- tezione individuale (DPI) per attenuare gli effetti degli archi elettrici. Tuttavia, sottolinea che nessun DPI può offrire una protezione completa, rafforzando la necessità di una gestione completa dei rischi per ridurre al minimo o, in alcuni casi, eliminare comple- tamente l'eventualità che si formi un arco elettrico. Persino l'impiego di quadri resistenti all'arco elettrico
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PERICOLI DA ARCO ELETTRICO
— 4. Norme e quadro regolamentare
non elimina completamente i rischi di arco elettrico. In effetti, le apparecchiature resistenti all'arco elet- trico possono aiutare a controllare il rischio per alcune attività, ma non per altre; pertanto, non elimi- nano la necessità di analizzare gli archi elettrici o di prendere in considerazione ulteriori controlli sui rischi, a seconda dell'attività. Anche una breve espo- sizione a un arco elettrico può causare gravi lesioni, il che evidenzia ulteriormente la necessità di rigorose misure di sicurezza. Sebbene le normative nazionali in tutta Europa richiedano di valutare il rischio di arco elettrico, nessuna norma europea fornisce una metodologia definitiva per tale valutazione. Di conseguenza, molte organizzazioni si affidano a norme ricono- sciute a livello internazionale, come la NFPA 70E, che vengono ampiamente accettate come parametri di riferimento globali per la valutazione e la mitiga- zione del rischio di arco elettrico. 2. Il quadro regolamentare statunitense: OSHA e NFPA 70E Negli Stati Uniti, l'Occupational Safety and Health Administration (OSHA) è responsabile di garantire condizioni di lavoro sicure e sane attraverso le norme di sicurezza sul posto di lavoro. Le norme OSHA sulla sicurezza elettrica impongono ai datori di lavoro di proteggere i lavoratori dai rischi elettrici, compresi gli archi elettrici. Per raggiungere la con- formità, l'OSHA fa riferimento alla norma NFPA 70E, la quale fornisce le migliori pratiche riconosciute nel settore per la valutazione del rischio di arco elettrico, le procedure di lavoro sicure e i requisiti sui DPI. Per un datore di lavoro, aderire alla norma NFPA 70E nel contesto di un programma di sicurezza elettrica certificato e di un piano di manutenzione elettrica (EMP, come definito nella norma NFPA 70B), può agevolare la conformità agli obblighi di sicurezza elettrica dell'OSHA. Questa norma offre indicazioni dettagliate sulla valutazione dei rischi, sulla mitiga- zione dei pericoli e sulla scelta dei DPI, rendendole
una risorsa fondamentale per le organizzazioni che intendono proteggere la propria forza lavoro dagli infortuni da arco elettrico. Una componente fondamentale della norma NFPA 70E è la valutazione del rischio di arco elettrico, come delineato nell'articolo 130.5. Tale valutazione è concepita per: - Individuare i pericoli da arco elettrico (se, ad esempio, l'apparecchiatura elettrica è diseccitata, il pericolo non è presente). - Stimare la probabilità e la gravità di potenziali infortuni. - Implementare misure di controllo del rischio in base alla relativa gerarchia, valutando se siano necessarie ulteriori misure di protezione, tra cui dispositivi di protezione individuale (DPI). Per agevolare questa valutazione, la tabella 130.5(C) fornisce indicazioni su come stimare la probabilità che si verifichi un arco elettrico e su come individuare se sono necessarie ulteriori misure di sicurezza. Se la valutazione del rischio stabilisce che è neces- saria un'ulteriore mitigazione, ABB raccomanda di utilizzare il Metodo di analisi dell'energia incidente in conformità alla norma NFPA 70E. Tale metodo ha lo scopo di calcolare l'energia incidente, definita come la quantità di energia termica (in cal/cm²) ricevuta a una distanza specifica dal punto emissivo dell'arco elettrico durante la sua formazione. Può essere calcolata seguendo la guida IEEE 1584-2018. Questa analisi deve essere aggiornata ogni volta che vengono apportate modifiche al sistema di distribuzione elettrica che potrebbero influenzare i risultati. Inoltre, deve essere rivista almeno ogni cinque anni, perché siano garantite accuratezza e conformità.
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GUIDA TECNICA
Dispositivi di protezione individuale (DPI) Per mitigare efficacemente i rischi di arco elettrico, l'obiettivo principale è ridurre sia la probabilità che si verifichino sia la gravità di eventuali lesioni. Ciò si ottiene seguendo la gerarchia dei controlli e dando priorità all'eliminazione dei pericoli, ai con- trolli tecnici e alle misure amministrative. Quando persiste un rischio residuo, l'ultimo livello di difesa è tuttavia l'uso corretto dei dispositivi di protezione individuale (DPI). I DPI sono progettati specifica- mente per proteggere i lavoratori dai rischi termici. Possono prevedere indumenti di protezione dall'arco elettrico (camicie, pantaloni, tute), guanti e utensili isolanti, visiere o tute anti-arco con passamontagna, occhiali di sicurezza o di protezione e protezioni per l'udito. Il livello corretto di DPI deve essere selezionato in base all'energia incidente calcolata, seguendo il metodo di analisi dell'energia incidente definito nella norma NFPA 70E. Tale metodo utilizza dati quali la corrente di guasto disponibile, la tensione di sistema e il tempo di disattivazione del disposi- tivo di protezione per stimare la potenziale energia termica rilasciata durante la formazione di un arco elettrico. La tabella 130.5(G) della norma NFPA 70E fornisce le indicazioni per la selezione dei DPI: · per livelli di energia incidente da 1,2 cal/cm² fino a 12 cal/cm² inclusi · per livelli superiori a 12 cal/cm² I DPI devono raggiungere o superare il livello di energia incidente calcolato. Una volta scelti, i DPI sono obbligatori tutte le volte che un lavoratore deve superare il limite dell'arco elettrico (AFB). Il limite dell'arco elettrico (AFB) è la distanza dal punto emissivo dell'arco alla quale l'energia inci- dente assume il valore di 1,2 cal/cm², la soglia per
un'ustione di secondo grado senza DPI. Chiunque superi questo limite deve indossare adeguati DPI contro l'arco elettrico. L'AFB viene determinato tra- mite una valutazione del rischio di arco elettrico. Etichette per apparecchiature che presentano rischi di arco elettrico Una volta completato lo studio sugli archi elettrici, le aziende devono apporre etichette di avvertenza su tutte le apparecchiature elettriche che presentano tali rischi. Secondo la norma NFPA 70E, sezione 130.5(H), sulle apparecchiature elettriche (ad esempio quadri di distribuzione, pannelli, pannelli di controllo indu- striali e centri di controllo motori) che potrebbero richiedere un accesso energizzato devono essere apposte le etichette che riportino: - la tensione nominale del sistema, - il limite dell'arco elettrico, e - informazioni per selezionare il DPI corretto. ABB suggerisce di includere l'energia incidente disponibile e la corrispondente distanza di lavoro. Nella figura è rappresentato un esempio di etichetta. 1 – Intestazione relativa all'arco elettrico 2 – Limite dell'arco elettrico 3 – Distanza di lavoro Definita dalla norma IEEE 1584 come la distanza tra il potenziale punto di arco elettrico e la testa e il busto di un lavoratore. L'energia incidente aumenta significativamente al diminuire di questa distanza, il che la rende un fattore di sicurezza critico. 4 – Dispositivi di protezione individuale (DPI) 5 – Tensione nominale del sistema Indica la tensione del sistema (ad esempio V, VCA o VCC), aiutando a valutare i livelli di rischio di shock. 6 – Posizione e/o dispositivo Specifica la posizione esatta o l'identificatore dell'apparecchiatura a cui si applica l'etichetta. 7 – N. di report di studio sull'arco elettrico Fa riferimento al report da cui sono stati ricavati i dati dell'etichetta. Utile per la tracciabilità e la verifica. 8 – Data Indica quando è stata effettuata la valutazione del rischio di arco elettrico. Ciò contribuisce a garantire la conformità alla norma di revisione quinquennale o agli aggiornamenti successivi a eventuali modifi- che del sistema.
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PERICOLI DA ARCO ELETTRICO
— 4. Norme e quadro regolamentare
3. Norme canadesi: CSA Z462 – Sicurezza in materia di elettricità sul luogo di lavoro CSA Z462: La norma sulla sicurezza in materia di elettricità sul luogo di lavoro è fondamentale per la gestione dei rischi elettrici in Canada. È modellata fedelmente sulla norma NFPA 70E, ma è stata adat- tata per riflettere le normative canadesi, come quelle applicate dalle leggi provinciali su salute e sicurezza sul lavoro (OHS). La norma CSA Z462 definisce i requisiti minimi per l'identificazione dei pericoli di arco elettrico e shock elettrico, l'esecuzione della valutazione dei rischi e l'imposizione di limiti di protezione. Sottolinea che i datori di lavoro devono implemen- tare un programma di sicurezza elettrica (ESP) che comprenda procedure documentate, una formazione adeguata e l'uso di dispositivi di protezione indivi- duale (DPI).
IEEE 1584 definisce il limite dell'arco elettrico (AFB) come la distanza di sicurezza dal punto emissivo dell'arco, in cui l'energia incidente scende a 1,2 cal/cm², soglia al di sotto della quale il rischio di lesioni gravi si riduce significativamente. Utilizzando le formule precise fornite nella norma IEEE 1584, le organizzazioni possono raggiungere un livello più elevato di accuratezza nella determi- nazione delle misure di sicurezza necessarie contro i rischi di arco elettrico. 4.2 IEC 60947-9-2:2021 Questa norma specifica i requisiti per i dispositivi attivi di mitigazione dei guasti da arco elettrico (AFMD) destinati a rilevare e mitigare gli effetti dei guasti da arco elettrico nei quadri in bassa tensione e nei gruppi di controllo. Questi dispositivi devono essere in grado di rilevare l'arco in tempi molto brevi (in genere pochi millisecondi) e di avviare un'azione adeguata, come ad esempio l'attivazione di un inter- ruttore automatico, per limitare la durata e l'energia dell'arco. La norma definisce i criteri di prestazione, i metodi di prova, i requisiti di interfaccia e le consi- derazioni sulla sicurezza per i componenti di rileva- mento e mitigazione, siano essi separati o combinati. Emax 3 con moduli Ekip Arc-Flash 6F e rilevatori di arco elettrico è conforme alla norma IEC 60947- 9-2:2021 come dispositivo combinato di classifica- zione degli archi interni (IACD). Integra in un'unica unità le funzionalità di rilevamento e interruzione dell'arco, offrendo una protezione rapida e affida- bile contro i relativi guasti.
4. QUADRO INTERNAZIONALE: IEEE 1584-2018 e IEC 60947-9-2:2021
4.1 IEEE 1584-2018 Assieme alla norma NFPA 70E viene spesso utiliz- zata la guida IEEE 1584-2018, sviluppata dall'Insti- tute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Fornisce una metodologia precisa per calcolare l'energia incidente dell'arco elettrico e il limite dell'arco elettrico. Come la norma NFPA 70E, la guida
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GUIDA TECNICA
— 5. Valutazione dei rischi di arco elettrico e strategie di mitigazione
1. Eliminazione – Rimuovere fisicamente il pericolo L'eliminazione è il metodo più efficace per il controllo del rischio; tale metodo viene seguito durante la fase di progettazione concettuale, in cui vengono adottate decisioni di alto livello, ad esempio sulle fonti energetiche da utilizzare. Il rischio di arco elettrico può essere eliminato assicurandosi che il personale non sia mai esposto a conduttori energizzati. Questo risultato può essere ottenuto separando fisicamente i lavoratori dai componenti energizzati oppure aggiungendo bar- riere e compartimentazioni all'interno delle appa- recchiature. Per essere considerata tale, la misura dell'eliminazione deve essere permanente e com- pleta. Misure temporanee, come lo spegnimento delle apparecchiature o il ricorso a procedure amministrative, non costituiscono una misura di eliminazione. Queste soluzioni riducono essenzialmente la proba- bilità che il problema si verifichi, poiché escludono o limitano significativamente l'esposizione al peri- colo; in molti casi, però, l'eliminazione completa non può essere messa in pratica a causa di vincoli operativi. 2. Sostituzione – Sostituire il pericolo La misura della sostituzione consiste nel rimpiaz- zare il pericolo originale con uno meno grave o più facilmente controllabile, ad esempio riducendo il consumo energetico mediante la sostituzione del circuito di controllo da 120 V con un circuito di con- trollo da 24 V CA o CC. 3. Controlli tecnici – Riduzione automatica dell'e- sposizione, della probabilità o della potenziale gravità di un rischio. I controlli ingegneristici, se messi in atto corretta- mente, sono concepiti per ridurre l'esposizione ai pericoli, diminuire la probabilità che si verifichi un incidente e/o attenuare la potenziale gravità delle sue conseguenze. Questi controlli vengono solita- mente integrati durante la fase di progettazione, in cui vengono prese decisioni dettagliate, ad esem- pio in merito al tipo di apparecchiatura da specificare e a come distribuire l'energia dal punto emissivo al punto di applicazione. Per essere considerati controlli tecnici, tali misure devono funzionare automaticamente o passivamente, senza richiedere l'intervento dell'operatore durante le attività di routine. Alcuni esempi includono l'impiego di quadri resistenti all'arco elettrico, l'uso di soluzioni di comando a distanza o ancora la riduzione dell'ener- gia rilasciata in un arco elettrico limitando la corrente di guasto disponibile o riducendo al minimo la durata dell'arco. 3a) l'impiego di quadri resistenti all'arco elettrico riduce la gravità delle conseguenze dell'arco elettrico sul personale. In caso di guasto da arco interno, la progettazione di apparecchiature resistenti all'arco consente di deviare l'energia dell'arco lontano dal lavoratore, disponendo una barriera fisica contro gli effetti termici e di pres- sione. Non solo quindi espleta la funzione di contenimento dell'eventuale formazione di un
La valutazione dei rischi di arco elettrico è un pro- cesso sistematico utilizzato per identificare i pericoli di arco elettrico all'interno di un sistema elettrico e per determinare misure di mitigazione appropriate al fine di ridurre la probabilità e la gravità delle conseguenze . Il processo di valutazione del rischio di arco elettrico può essere strutturato in quattro fasi chiave: Prevedere, Prevenire, Processare e Proteggere. 1. Prevedere : comporta il calcolo dell'energia incidente a una distanza di lavoro specifica da un potenziale punto emissivo di un arco elettrico, al fine di determinarne la gravità e l'impatto termico. La guida IEEE 1584-2018 è la più ampiamente riconosciuta per l'ese- cuzione di questi calcoli. 2. Prevenire : si riferisce al rispetto della gerar- chia delle misure di controllo del rischio, concentrandosi su eliminazione, sostituzione e controlli tecnici. 3. Processare : riguarda l'attuazione di controlli amministrativi quali procedure, politiche e pratiche di lavoro sicure. 4. Proteggere : rappresenta il livello finale nella gerarchia del controllo del rischio. Questo livello affronta qualsiasi rischio residuo for- nendo dispositivi di protezione individuale (DPI) come ultima linea di difesa, una volta implementate tutte le altre strategie di miti- gazione. L'intento di definire e seguire una gerarchia di misure di controllo del rischio è quello di individuare le azioni preventive o protettive più efficaci per ridurre al minimo il rischio associato al pericolo di arco elettrico. Ogni metodo successivo nella gerarchia è considerato meno efficace di quello che lo precede. Nella pratica, per garantire un'adeguata protezione ai lavoratori è spesso necessaria una combinazione di metodi di controllo.
Gerarchia dei controlli
Più e caci
Rimuovere fisicamente il pericolo
Eliminazione
Sostituire il pericolo
Sostituzione
Riduzione automatica dell'esposi- zione, della probabilità o della potenziale gravità di un rischio
Controlli tecnici
Richiamare l'attenzione sul pericolo
Sensibilizzazione
Controlli ammi- nistrativi
Modificare le pratiche di lavoro
Proteggere il personale con i dispostivi di protezione individuale
DPI
Meno e caci
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PERICOLI DA ARCO ELETTRICO
— 5. Valutazione dei rischi di arco elettrico e strategie di mitigazione
arco all'interno del quadro, ma protegge anche l'incolumità del lavoratore impedendogli di toc- care il quadro e riducendo così la probabilità di innescare l'incidente. Tuttavia, questa protezione è intrinsecamente limitata alle situazioni in cui tutti gli sportelli dell'involucro rimangono chiusi. Durante le attività di manutenzione o ispezione che richie- dono l'accesso all'interno, infatti, il personale è esposto a potenziali pericoli. Inoltre, sebbene i quadri resistenti all'arco elettrico proteggano il personale all'esterno dell'involucro, i compo- nenti interni possono comunque subire notevoli sollecitazioni termiche e meccaniche, poiché l'energia non viene interrotta rapidamente. Ciò può comportare tempi di inattività prolun- gati, riparazioni complesse e costi di sostituzione più elevati, soprattutto se vengono interessati gruppi funzionali critici. Il quadro resistente all'arco elettrico è pertanto una soluzione passiva, da considerare più come un valido aiuto all'interno di una strategia di protezione più ampia che come una soluzione a sé stante. ABB offre una gamma di soluzioni conformi alle norme consolidate, come IEC/TR 61641 in Europa e IEEE C37.20.7 negli Stati Uniti. 3b) l'impiego di soluzioni di comando a distanza , che consentono di svolgere attività specifiche da una distanza di sicurezza riducendo signifi- cativamente l'esposizione del personale ai pericoli di arco elettrico e limitando le probabi- lità di contatto accidentale o di caduta di uten- sili da cui può scaturire un arco elettrico. Emax 3 supporta l'utilizzo di soluzioni di comando a distanza con: • Funzioni di apertura/chiusura a distanza : l'aggiornamento digitale del controllo remoto
consente agli utenti di aprire o chiudere l'interruttore automatico a distanza, tramite l'app mobile EPiC. • Moduli di comunicazione : consentono una perfetta integrazione con i sistemi di super- visione, supportando il controllo e il monito- raggio a distanza dei parametri dell'inter- ruttore automatico. • Bobine di rilevamento (YO-S, YC-S, YU-S): forniscono la stessa funzionalità di attua- zione delle bobine standard (YO, YC, YU), consentendo inoltre il monitoraggio dello stato in tempo reale. Tengono traccia di parametri quali il numero di manovre, la continuità di avvolgimento, la tensione fornita e l'indice di stato generale e inviano un feedback sullo stato allo sganciatore Ekip Aware. Supportano l'azionamento remoto tramite molteplici protocolli di comunica- zione e abilitano la manutenzione basata sulle condizioni (CBM) e la manutenzione incentrata sull'affidabilità (RCM). 3c) la riduzione dell'energia rilasciata in un arco elettrico mediante limitazione della corrente di guasto disponibile , per esempio: • Utilizzando la messa a terra ad alta resi- stenza (HRG) per sistemi trifase • Utilizzando dispositivi limitatori di corrente Queste soluzioni attive non influiscono sulla probabilità che si verifichi un arco elettrico, ma ne riducono la gravità limitando l'energia disponibile. 3d) la riduzione dell'energia rilasciata in un arco elettrico limitando al minimo la durata dell'arco . Queste soluzioni attive non influiscono sulla pro- babilità che si verifichi un arco elettrico, ma ne riducono la gravità limitando l'energia disponibile.
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GUIDA TECNICA
Emax 3 supporta la riduzione dei consumi energe- tici con: • Interblocco selettivo di zona (ZSI) : aumenta la protezione consentendo agli interruttori auto- matici a valle di inviare segnali agli interruttori automatici a monte durante un guasto. Questo segnale induce l'interruttore a monte a ritardare lo sgancio, dando all'interruttore automatico più vicino la possibilità di risolvere per primo il guasto. Se l'interruttore automatico a valle non risponde, il dispositivo a monte si sgancia immediatamente, bypassando le impostazioni di ritardo. Lo ZSI aiuta a ridurre l'energia dell'arco elettrico limitando il tempo totale di risoluzione quando è possibile il coordinamento. Se però l'interrut- tore primario non funziona, potrebbe verificarsi un breve ritardo (in genere 2-3 cicli), con la con- seguenza che l'arco persisterà leggermente più a lungo. • Relè di protezione da arco elettrico esterno : utilizza sensori ottici per rilevare l'intensa luce emessa durante un evento di arco elettrico. ABB offre soluzioni come il relè TVOC-2, certifi- cato SIL-2. Il TVOC-2 può avviare il comando di
attivazione tramite lo sganciatore di apertura (YO) o attivare ingressi digitali tramite disposi- tivi di interfaccia come Ekip Signalling 4k o Ekip Signalling 2k. Questi sistemi possono raggiun- gere tempi di risoluzione totale nell'intervallo 50-70 millisecondi, più rapidi rispetto ai metodi di protezione convenzionali. La rapidità di que- sta risposta consente di ridurre notevolmente l'energia dell'arco e di aumentare la sicurezza sia del personale che delle apparecchiature. Alcuni impianti potrebbero tuttavia presentare delle limitazioni dovute alla logica fissa dei relè o a vincoli di configurazione. Inoltre, sono necessari relè esterni (ad esempio CSU-2) o soluzioni complementari per implementare una logica a doppia condizione, che si basi cioè sul rilevamento sia della luce che della corrente e garantisca con affidabilità la distinzione degli archi elettrici. • Soluzione Emax 3 per gli archi elettrici : propone tempi di risoluzione totale più rapidi e riduce l'energia rilasciata rispetto ai sistemi basati su relè di protezione dall'arco elettrico esterno. Questo approccio integrato riduce al minimo i requisiti di spazio e offre maggiore flessibilità nella configurazione logica, miglio- rando così le prestazioni di protezione comples- sive e l'adattabilità ad architetture di sistema complesse. La logica a doppia condizione, che combina il rilevamento della luce dell'arco elettrico con la misurazione della corrente, è implementata utilizzando i sensori di corrente integrati nell'interruttore automatico, senza bisogno di dispositivi esterni. 4. Sensibilizzazione – Richiamare l'attenzione sul pericolo La sensibilizzazione pone l'accento sulle operazioni di avvertimento del personale della presenza di pericoli elettrici mediante cartelli ed etichette, luci, barriere e barricate. Sebbene non elimini il pericolo, questo metodo di controllo favorisce l'adozione di compor- tamenti sicuri, migliorando la visibilità e la compren- sione dei rischi nell'ambiente di lavoro. Alcuni esempi: • Etichette di avvertenza sulle apparecchiature che • Strumenti digitali che forniscono informazioni sui pericoli in tempo reale. Le informazioni sulla sicu- rezza sono più accessibili e fruibili accedendo alle impostazioni degli sganciatori e ai dati degli eventi tramite un computer o un dispositivo mobile, anziché scorrendo l'HMI dell'interruttore automa- tico. Ekip Connect 3 o l'app mobile EPiC miglio- rano la visibilità del rischio e aumentano la proba- bilità che il personale risponda in modo corretto. È importante notare che l'efficacia dei controlli di sensibilizzazione è strettamente legata alle misure amministrative, come una formazione coerente e il mantenimento di sistemi di allerta per garantire leg- gibilità, visibilità e comprensione. Questi controlli sono intrinsecamente vulnerabili all'errore umano nell'interpretazione e nella risposta presentano un rischio di arco elettrico • Indicatori di pericolo visivi e acustici
Identificazione del pericolo e stima iniziale del rischio
Progettazione concettuale
Controlli di progettazione preferiti: Eliminazione o sostituzione
Stimare il rischio residuo
Protection selections: Engineering Controls
Analisi del sistema: Prog. tecn.
Stimare il rischio residuo
No
Rischio accettabile?
Sì
Sensibilizzazione, formazione e procedure amministrative, organizzazione del lavoro
Prog. tecn. e on site
Stimare il rischio residuo
No
Rischio accettabile?
Sì
Verifica, convalida e documentazione della selezione dei DPI
Processo di progettazione che incorpora la gerarchia dei controlli del rischio. Fonte: Leveraging Prevention Through Design Principles (PtD) in Electrical Installations, H. Landis Floyd II e Marcelo E. Valdes, 2021
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PERICOLI DA ARCO ELETTRICO
— 5. Valutazione dei rischi di arco elettrico e strategie di mitigazione
5. Controlli amministrativi – Modifica delle pratiche di lavoro I controlli amministrativi includono pratiche di lavoro sicure, procedure operative standard, programmi di manutenzione, selezione del personale, formazione, programmazione dei lavori, sistemi di autorizzazione, audit e gestione delle modifiche. I controlli mirano a influire sul comportamento umano per ridurre al minimo i rischi. Di seguito alcuni esempi: • Procedure di Lockout-Tagout (LOTO). • Interruttore di manutenzione a riduzione Le apparecchiature ben progettate possono sup- portare ulteriormente queste misure rendendole più facili da implementare, più affidabili e meno soggette a errori umani. Ad esempio, l'integrazione di finestre IR modifica il modo in cui il personale esegue le indagini IR, mentre l'uso di sensori termici continui può eliminare del tutto la necessità di indagini IR. L'efficacia dei controlli amministrativi dipende in larga misura dai comportamenti umani e dalla disciplina operativa del personale di supervisione e supporto in tutta l'organizzazione. Le soluzioni Emax 3 includono: • Dispositivi di racking da remoto : Emax 3 offre due soluzioni per eseguire le operazioni di inserimento/ estrazione dai rack degli interruttori automatici da remoto, riducendo la necessità di personale davanti al quadro e migliorando così la sicurezza: • Soluzione classica (RRD): è possibile installare un motore esterno quando necessario. Questa soluzione è disponibile per i modelli E1.3, E2.3, E4.3 ed E6.3. di energia (protezione ERMS/ABB RELT) • Dispositivi di racking da remoto (RRD) • Soluzione integrata (RRD-E): motore installato in modo permanente all'interno dell'interruttore automatico. Questa opzione è disponibile per i modelli E4.3 ed E6.3 e il funzionamento può essere controllato tramite l'app mobile EPiC o tramite un controller esterno. Questa soluzione consente all'operatore di impo- stare un intervento istantaneo più rapido mentre lavora all'interno del limite dell'arco elettrico e quindi di riportare lo sganciatore a un'impostazione nor- male una volta completato il lavoro potenzialmente • Interruttore di manutenzione a riduzione di energia (protezione ERMS/ABB RELT) pericoloso. La soluzione Emax 3 è dotata della modalità di riduzione dell'energia specifica pas- sante (RELT), conforme allo standard NEC 240.87. La funzione RELT può essere attivata in diversi modi: • Modulo RELT Ekip + segnale di ingresso esterno (ad es., interruttore remoto): consente l'attivazione della modalità RELT da una posizione remota, anche al di fuori del limite dell'arco elettrico, prima che il per- sonale entri nell'area pericolosa. Un indicatore di stato locale conferma se la modalità RELT è attiva.
• HMI dello sganciatore : La modalità RELT può essere abilitata direttamente sull'HMI dell'in- terruttore automatico, fornendo un'opzione di controllo locale e manuale senza bisogno di moduli aggiuntivi. • App mobile EPiC (solo se è installato il modulo RELT Ekip): questa configurazione consente l'attivazione remota tramite smartphone, utile quando ci si avvicina all'apparecchiatura. La comunicazione wireless offre un accesso sicuro e comodo per abilitare la modalità RELT a distanza. • Modulo di comunicazione : se è installato un modulo di comunicazione, la modalità RELT può essere attivata da remoto tramite sistemi di supervisione, come SCADA. Quando la protezione RELT è attivata, l'indicatore di stato locale e/o l'interfaccia HMI evidenziata in blu ne informano l'operatore. Quando l'indicatore non è più blu, significa che la protezione è tornata alle normali condizioni operative dopo il completa- mento della manutenzione. Inoltre, è possibile configurare una funzione di spegnimento ritardato (temporizzazione), che consente alla modalità RELT di restare attiva per un periodo di tempo predefi- nito dopo la richiesta di disattivazione. In questo modo, l'operatore ha tempo a sufficienza per uscire in sicurezza dal limite dell'arco elettrico prima che l'interruttore automatico ritorni alle impostazioni di protezione standard. Il vantaggio principale di questo sistema risiede nella sua capacità di ridurre significativamente l'energia durante un arco elettrico, fornendo un tempo di risoluzione totale e migliorando così la sicurezza dei lavoratori durante le attività di manu- tenzione. Tuttavia, la funzione RELT è progettata specificamente per le fasi di manutenzione e non offre una protezione avanzata durante la normale fase di funzionamento, in cui le impostazioni di sgancio tornano ai parametri standard e potreb- bero verificarsi guasti elettrici più gravi. Questa limitazione implica che se il RELT non è abilitato, il rischio derivante dall'energia sprigionata da eventuali archi elettrici rimane significativo. Inoltre, il ricorso all'attivazione e alla disattivazione manuale introduce il rischio di errore umano, come dimenticare di abilitare la modalità RELT prima del lavoro o non ripristinare le impostazioni normali in un secondo momento, il che potrebbe compromet- tere il coordinamento della protezione o causare interventi non necessari. 6. Dispositivi di protezione individuale – Ultima linea di difesa per proteggere il lavoratore I DPI attenuano i rischi residui quando altri controlli non riescono. I DPI devono essere adeguati al livello di energia incidente e utilizzati congiuntamente ad altre misure di protezione. Sebbene essenziali, i DPI rappresentano la misura di controllo meno efficace perché si basano sul costante rispetto delle misure da parte degli esseri umani.
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GUIDA TECNICA
— 6. Soluzione integrata Emax 3 per gli archi elettrici
L'interruttore automatico Emax 3 integra una prote- zione attiva contro l'arco elettrico senza la necessità di un relè esterno, massimizzando sicurezza, affida- bilità e semplicità. Questa soluzione integrata funziona con solo due componenti aggiuntivi in combinazione con l'inter- ruttore automatico Emax 3: 1- rilevatori di archi 2-modulo Ekip Arc-Flash 6F Rilevatori di archi In base ai requisiti specifici delle applicazioni, sono disponibili due tipologie di rilevatori di archi: • Rilevatori di luce sono rilevatori puntiformi che si attivano quando viene rilevata un'inten- sità sufficiente di luce dell'arco (superiore a 8000 Lux). • Rilevatori di luce e pressione sono rilevatori puntiformi che vengono attivati con il rileva- mento simultaneo dell'arco luminoso (supe- riore a 8000 Lux) e della pressione (0,2 bar superiore alla pressione ambiente). Questa logica a doppia condizione aiuta a ridurre i falsi allarmi confermando che la luce rilevata proviene da un evento di arco elettrico. Se è solo la luce o solo la pressione a superare la rispet- tiva soglia, il rilevatore non si attiva e non invia alcun segnale allo sganciatore. - non richiedono calibrazione - sono in grado di rilevare in modo affidabile la luce dell'arco elettrico entro una distanza Entrambi i tipi di rilevatori: massima di 1,5 metri. Tuttavia, a seconda della configurazione del quadro e della presenza di superfici metalliche riflettenti, la luce dell'arco elettrico può essere rilevata a distanze maggiori, proprio a causa di tale riflesso. Modulo Ekip Arc-Flash 6F Il modulo a cartuccia dedicato funge da punto di collegamento tra i rilevatori di archi e l'Emax 3, eliminando la necessità di relè esterni.
• Ogni canale può ospitare fino a tre rilevatori in serie (che possono essere di entrambi i tipi). • È possibile installare fino a due moduli (Ekip Arc-Flash 6F-1 e Ekip Arc-Flash 6F-2) nell'area della cartuccia • È necessaria l'alimentazione ausiliaria (Ekip Supply Lite o Ekip Supply Evo Modbus TCP) • Ogni Emax 3 può gestire un totale di 12 rile- vatori. • Il monitoraggio continuo di ciascun canale viene effettuato per verificare se almeno un rilevatore o un cavo in ogni canale è rotto. Gli allarmi possono essere inviati al sistema di supervisione. • Per collegare il modulo ai rilevatori è possi- bile utilizzare cavi schermati a 3 conduttori di tipo commerciale (Belden 8772 o simili). • La lunghezza massima tra il modulo e gli ultimi rilevatori è di 100 m. La lunghezza adeguata può essere scelta direttamente sul campo in base ai requisiti di installazione, eliminando la necessità di selezionare in anticipo una lunghezza preconfigurata. Funzione di protezione Quando viene attivato, il rilevatore invia un segnale al canale del modulo a cui è collegato. Per abilitare lo sgancio dell'Emax 3, è necessario attivare una funzione di protezione e assegnarla a ciascun canale. • Sono disponibili due diverse funzioni di pro- tezione (AF1 e AF2), che possono essere uti- lizzate per adattarsi a diverse condizioni di lavoro. • Le funzioni di protezione sono automatica- mente visibili in Ekip Connect o EPiC quando è installato almeno un Ekip Arc-Flash 6F. Non è richiesto alcun ulteriore aggiorna- mento digitale • Per ogni funzione di protezione è possibile abilitare un controllo di corrente opzionale: - La corrente misurata dalle bobine Rogowski interne viene confrontata con una soglia configurabile - Questo pone un'ulteriore condizione per lo sgancio Logiche tra diversi interruttori automatici In un sistema con più interruttori automatici, ogni Emax 3 può disporre di moduli e rilevatori di archi dedicati per proteggere la propria zona, garantendo la possibilità di selezionare l'impianto senza la necessità di un relè esterno per la gestione. Inoltre, utilizzando i moduli Com Link o Ekip Signalling, è possibile inviare segnali per far sgan- ciare altri interruttori (anche diversi da Emax 3) in base al punto in cui si è verificato l'arco elettrico, consentendo così di selezionare l'applicazione. In questo modo, Emax 3 incorpora e potenzia le funzionalità di un relè esterno, consentendo la trasmissione di segnali a diversi interruttori automatici per garantirne la selettività.
• Ogni modulo ha due ingressi denominati canale S1 e S2.
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