Libro Qualità dell`energia Pagine 1-33

Qualità dell’energia: show it easy!
Qualità dell’energia:
show it easy!
Studenti e installatori
Gennaio 2013
Schneider Electric
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 1
1
01/08/13 09.45
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 2
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
“Qualità dell’Energia: Show it Easy!” è il titolo che ho voluto per questa
pubblicazione forse per la passione verso la materia trattata, forse
per altruismo o forse ancora perché ritengo che il conseguimento
dell’obiettivo presupposto, cioè la Qualità dell’Energia, passando
attraverso soluzioni trasversali che abbracciano un ampio spettro di
conoscenze tecniche convenga veramente!
Oggi i tempi sono maturi per non esimersi dall’affrontare seriamente
l’argomento poiché troppe sarebbero le passività e i costi occulti da
sostenere a causa di una bassa Qualità dell’Energia.
Certamente il male comune è, anche in questo caso, l’ipocrisia della
società moderna!
Conciliare il fatto di avere sempre il massimo spendendo il minimo
delle risorse, spesso non va di pari passo con la buona realizzazione
progettuale di una nuova realtà industriale o di una distribuzione
elettrica.
Una soddisfacente Qualità dell’Energia la si ottiene infatti da vari
presupposti, spesso con minimi accorgimenti, ma comunque con la
richiesta di un adeguato impegno economico. Il lato positivo sarà sempre
quello del conseguimento di un appropriato standard qualitativo e
quantitativo, che ripagherà gli investimenti fatti.
Questa pubblicazione cercherà di portare a conoscenza del lettore
una materia che in futuro troverà certamente un adeguato spazio tra la
libreria dei progettisti.
Basandosi su esperienze teoriche e pratiche, si vuole parlare dei vari
argomenti che ruotano intorno al concetto della Qualità dell’Energia negli
impianti e sulle reti di distribuzione.
Il mio impegno è volto a rendere semplice e scorrevole l’approccio a una
materia che veramente deve conciliare mille aspetti: Speak to me Easy!
Buona lettura!
A.I.
Schneider Electric
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 3
3
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
Introduzione: la sfida
dell’energia nel xxi secolo
L’elettricità è la manifestazione di un passaggio di cariche elettriche, gli elettroni, in un
mezzo conduttore. La ‘corrente elettrica’ è la definizione sinonimo per eccellenza di questo
flusso di elettroni. La prerogativa perché questo accada è la presenza di un potenziale
elettrico che l’uomo, con il suo intelletto, è riuscito a creare utilizzando i principi basilari
della trasformazione della materia. L’elettricità è però spontaneamente presente anche
in natura, grazie alle differenze di potenziale che si vengono a creare tra gli oggetti
che la compongono (effetto triboelettrico). Un fulmine o la classica ‘scossa elettrica’
che rende fastidioso il toccare con mano, ad esempio, la portiera di una macchina, è la
manifestazione evidente di quanto appena affermato.
Nell’era moderna si è dovuto studiare a fondo le proprietà di questa grandezza sino a
caratterizzarne anche gli aspetti negativi, con l’intento di ridurli o eliminarli.
Questa pubblicazione cercherà di spiegare il perché di questo bisogno e il perché della
necessità di porsi l’obiettivo comune della “Qualità dell’Energia”. Tutto ciò partendo
semplicemente da una panoramica sull’utilizzo mondiale di energia elettrica.
L’aumento dei consumi elettrici dovuti sia allo sviluppo demografico e territoriale dei
paesi, sia alla crescita di aziende atte a soddisfare le esigenze di un mercato sempre più
globalizzato e volto a una ricerca della miniaturizzazione dei prodotti, all’ottimizzazione dei
processi industriali con prodotti quali PC, PLC, UPS, variatori di velocità, senza trascurare
l’automazione e l’ergonomia dei classici elettrodomestici, impianti di condizionamento
ecc…, sono fattori che hanno alzato le pretese e le attese sia dell’industria stessa sia
dell’utilizzatore finale, nei confronti di un mercato elettrico che, per quanto in espansione,
non è proprio infinito.
Oggi le interconnessioni in alta tensione delle reti fra i vari paesi, gli scambi elettrici fra
gli stessi e la programmazione anticipata dei consumi di energia possono far fronte alle
esigenze quotidiane dell’industria. Resta che la risorsa è preziosa e limitata per garantire
un equo consumo e lo sviluppo dei paesi! In questo periodo il rapporto tra la crescita di
disponibilità di energia elettrica nei confronti dello sviluppo industriale è critico e sarà
un dato destinato a peggiorare. E questo senza calcolare l’incremento esponenziale dei
consumi energetici dei paesi in forte via di sviluppo!
L’ipotesi di costruire nuove centrali elettriche, per soddisfare la domanda globale di
energia, avrebbe solo risultato di attenuare il problema e questo perché qualsiasi centrale
di produzione elettrica necessita, per il suo funzionamento, di materie prime quali il
petrolio, carbone, gas, uranio. Questi elementi naturali, sempre più in chiara difficoltà di
reperimento, sono spesso al centro di speculazioni economiche, di diatribe e tensioni a
livello politico tra le nazioni e anche teatri di terribili guerre.
Anche i meno conosciuti, di difficile calcolo e bistrattati coefficienti EROEI (Energy
Return On Energy Invested / Energia Ricavata su Energia Investita) che rappresentano il
rapporto tra l’energia complessiva che un qualsiasi impianto produrrà nell’arco della sua
vita con l’energia che è stata utilizzata per costruirlo, gestirlo e smantellarlo, confermano
complessivamente la tendenza alla difficoltà di reperimento dei carburanti per le centrali di
produzione di energia elettrica.
Sebbene si possano mettere in discussione i numeri, tutti possono tranquillamente
concordare che, ad esempio, le attuali convenienze di estrazione del petrolio non sono
più quelle del passato fino alla fine del 1970. Oggi la ricerca di nuovi giacimenti impone
investimenti più alti che in passato, rendendone meno vantaggiosa l’estrazione. Altre
materie prime, al pari del petrolio, impattano negativamente sull’ambiente. Il carbone,
ad esempio, a parità di energia prodotta presenta alte emissioni di gas serra che
contribuiscono a velocizzare il processo di surriscaldamento del globo. Al momento
un impianto nucleare ha indici EROEI superiori alla produzione di energia elettrica da
fotovoltaico, ma inferiori a un impianto eolico. I bilanci EROEI non considerano però le
deleterie complicanze derivabili da possibili guasti, per esempio, a un reattore nucleare. I
disastri ambientali di Chernobyl nel 1986 in Ucraina e il più recente nel 2011 a Fukushima
in Giappone devono fare riflettere ogni cittadino su come sia necessario conoscere una
fonte energetica in tutti i suoi aspetti!
4
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 4
Schneider Electric
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
Nel diagramma di Charles Hall, sotto raffigurato e frutto di un’accurata ricerca del decennio
scorso, sono possibili le comparazioni degli indici EROEI per le varie fonti energetiche.
Charles Hall’s Balloon graph (http://www.esf.edu/EFB/hall/)
Legenda: In ordinata l’indice EROEI; in ascissa l’energia prodotta da quella fonte nel mondo;
l’area dei palloncini rappresenta l’incertezza dei dati. Riferimento consumi Usa: anno 2005
Conversioni:
1 ExaJoule/s= 277,8 TeraWatt/h = 23,88 Mtep
Questo grafico sottintende anche alcune grandi verità che vale la pena descrivere
brevemente. Tutte le materie prime principali quali, ad esempio, il petrolio, il carbone e
il gas raggiungeranno un picco massimo di estrazione seguito da un lento processo di
esaurimento e disponibilità della fonte. I palloncini, a rappresentazione dell’energia prodotta
da questi elementi, si assottiglieranno e si sposteranno sempre più verso la sinistra e
il basso del grafico. Il trend sarà simile a quello tracciato dal petrolio di origine USA. Di
conseguenza gli exajoules prodotti e gli indicatori EROEI diverranno entrambi inferiori per
ovvi motivi.
Certamente le energie rinnovabili, di recente applicazione, man mano che saranno
utilizzate, subiranno un andamento di verso opposto, ma purtroppo, gli exajoules prodotti
dall’insieme delle fonti rinnovabili non potranno in breve tempo eguagliare la produzione di
energia da fonte fossile. L’energia da fonte idroelettrica è, ad esempio, una tecnologia ormai
sfruttata appieno, quindi stabile nella produzione globale e negli indicatori EROEI. Altre fonti
sono in sostanza allo stato arboreo e necessiteranno di enormi investimenti finanziari per
essere sviluppate.
Ma guardate ancora cosa insegna il grafico quando ci si riferisce al consumo degli
Stati Uniti per l’anno 2005! Charles Hall, professore universitario americano, pioniere e
ottimo ricercatore mondiale nel campo dei modelli energetici, evidenzia che il benessere
americano comporta un consumo di energia pari a 100 exajoules con un indicatore EROEI
di 40/1. Hall definisce anche che per una corretta civilizzazione il rapporto EROEI deve
essere di 5/1. Quest’ultimo resoconto, con l’emancipazione dei paesi, si tradurrà in un trend
ascendente seguito da un incremento dei consumi.
Schneider Electric
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 5
5
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
Il ragionamento conclusivo dell’importante ricerca anticipa il fatto che il mondo si troverà
presto a un bivio che comporterà un sicuro ridimensionamento dei nostri modelli di vita.
Questo almeno finché le nuove fonti energetiche riusciranno a riequilibrare la domanda
complessiva. Il processo è già in atto, Charles Hall l’aveva solamente intuito!
Insomma, una bella scommessa! Ma la vera sfida da vincere sarà convincere la comunità
mondiale o perlomeno la più industrializzata e la politica a rinunciare agli interessi occulti,
all’ipocrisia e ad adottare seriamente un nuovo modello e stile di vita più rispettoso nei
confronti del consumo elettrico.
Riprendendo il tema chiave di questa introduzione, è possibile affermare con vigore che il
XXI secolo si è aperto con delle grandissime sfide da affrontare che solamente l’intelletto
umano e la concertazione mondiale potranno risolvere pacificamente!
Tutti questi scenari appena descritti sono comunque già all’attenzione dell’intera comunità
internazionale che lentamente sta cercando di apportare le necessarie correzioni per garantire
il futuro energetico del pianeta. Da questi presupposti sono quindi partiti studi per cominciare
a ottimizzare le risorse mondiali di materie prime, quindi anche di un prodotto dovuto alla loro
trasformazione e cioè l’energia elettrica. America ed Europa in primis e recentemente anche
Cina e India stanno adottando sia politiche espansive tali da ricercare nuove fonti energetiche,
sia politiche di valorizzazione e responsabilizzazione dei consumi energetici.
Si stanno quindi attuando, a livello globale, direttive in merito ad un uso più intelligente del­
l’energia elettrica per intraprendere la strada dell’ottimizzazione e riduzione dei consumi e
sprechi.
La visione di una rete globale europea completamente interconnessa, per una gestione
flessibile e in tempo reale dei flussi dell’energia elettrica (Smart Grids), è un progetto
attualissimo e rappresenta una rivoluzione radicale a tutti i livelli nel settore delle reti
elettriche.
Anche le argomentazioni riguardanti lo sviluppo delle energie rinnovabili, i piani di riduzioni
di anidride carbonica, ma anche la certificazione delle apparecchiature elettriche, le
tabelle e le classi di consumo, l’efficienza energetica, sono, in questi ultimi anni, diventate
parole diffuse tra la popolazione. Da qui, grazie anche a politiche incentivanti nazionali,
ne è seguito un orientamento nella scelta degli acquisti, con la propensione a una forte
responsabilizzazione nell’utilizzo di un bene comune e prezioso, del quale effettivamente
non se ne può più fare a meno. C’è solo da provare per credere!
Gli enti di standardizzazione internazionali, a tal riguardo, concorrono al processo in atto
redigendo norme volte a migliorare l’utilizzo di materie prime e indirettamente a creare
nuovi modelli di business. Un esempio è rappresentato dalla famiglia di normative ISO
14040 LCA (life cycle assessment) che normalizzano l’analisi del ciclo di vita dei prodotti.
In pratica si tratta un metodo voluto per quantificare e interpretare l’impatto ambientale di
un prodotto o servizio per l’intero arco della sua vita, partendo dall’estrazione delle materie
prime, sino al ciclo di smantellamento di tutto quanto è occorso alla realizzazione del
prodotto o servizio, senza trascurare la fabbricazione, il trasporto, la commercializzazione,
l’uso, il riciclo e così via. Il ritorno di uno studio LCA sarà quindi di grande importanza per
la difesa dell’ambiente e sarà riconosciuto con marchiature di qualità ecologica. L’Unione
Europea già con il regolamento 880/92/CEE e con successive direttive CE ha adottato i
principi della norma ISO, introducendo un marchio di qualità ecologica (Ecolabel), che può
avere un ruolo nello sviluppo delle aziende sul mercato europeo.
La direttiva 2005/32/CE, denominata EuP (Energy using Products), recentemente rifusa
con la nuova direttiva EuP 2009/125/CE, riguarda la progettazione ecocompatibile di
prodotti legati all’energia. La particolarità di questa direttiva è di legare il concetto di energia
sia alle classiche apparecchiature elettriche, riducendone i consumi, sia a tutti quei prodotti
che indirettamente possano permettere un risparmio energetico (materiali di costruzioni
edili, isolanti, coibentazioni, porte e finestre).
Anche la Qualità dell’Energia, l’oggetto della presente discussione, rientra in quest’ambito,
poiché altro non è che un vestito cucito ad hoc all’energia, per la sua valorizzazione.
In questo documento saranno trattati temi inerenti alla Qualità dell’Energia, che per
semplicità sarà abbreviata con la sigla Q.E., sulle reti elettriche e in impianto con il
presupposto di semplificare i concetti di un tema realmente attuale, utilizzando più casi ed
esempi esplicativi occorsi nell’industria moderna e non solo.
Nella pagina seguente sono riprodotte due figure rappresentative dei consumi elettrici
mondiali elaborate dall’IEA (International Energy Agency) che, in un arco temporale di oltre
trent’anni, rendono l’idea di come sia variato l’utilizzo percentuale delle materie prime e di
come il fabbisogno energetico sia cresciuto al ritmo del 2,7% annuo.
6
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 6
Schneider Electric
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
Solo l’attuale crisi sistemica che sta affliggendo il mondo globalizzato probabilmente
potrebbe non far seguire la progressione dei consumi.
Se però il mondo occidentale, cioè il più colpito dalla crisi, si presterà a un lungo
periodo di stagnazione economica, la parte orientale del mondo continuerà a crescere
vertiginosamente quindi a essere più energivora che mai, mantenendo in positivo il
trend. Questo finché tutto sarà reso possibile e sostenibile, ma gli azzardi sul futuro, nello
specifico tema dei consumi, è un libro aperto ancora da scrivere!
Consumi energetici mondiali, per fonte, anno 1973
Consumi energetici mondiali, per fonte, anno 2007
*Other includes geothermal, solar, wind, heat, etc.
*Other includes geothermal, solar, wind, heat, etc.
Conversione: 1TWh=0,086Mtoe (Mtoe=Million Tons of
Oil Equivalent)
Schneider Electric
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 7
7
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
PRIMA PARTE
La prima parte è una descrizione teorica dei vari concetti
perimetrali, utili a interpretare il tema della Qualità
dell’Energia.
Sicuramente è la parte meno tecnica della pubblicazione,
probabilmente la più pragmatica, ma il lettore deve
convenire sul fatto che solamente con un corretto
bagaglio di nozioni si potranno affrontare con linearità le
successive parti della stessa.
La sezione è ricca di tabelle e richiami normativi utilizzati
nel settore impiantistico industriale.
I valori espressi sono semplificati per facilitare il
lettore nel formarsi su un tema che, seppur vasto, è
caratterizzato da un filo conduttore logico comune: la
‘salvaguardia’ della forma d’onda della tensione elettrica.
8
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 8
Schneider Electric
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
Sommario
Introduzione: la sfida dell’energia nel xxi secolo.............................................................. p 4
Prima Parte
1. Concetto di qualità dell’energia........................................................................................... p 10
2. Concetto di compatibilità elettromagnetica (emc)........................................................... p 11
3. Qualità dell’energia e compatibilità elettromagnetica: le correlazioni........................... p 13
4. Qualità dell’energia e compatibilità elettromagnetica: le variabili impreviste............... p 14
5. Qualità dell’energia e disturbi elettromagnetici: il bilanciamento ideale........................ p 15
6. Le interazioni elettromagnetiche sulle reti di distribuzione ............................................ p 17
7. Pianificazione e analisi di una rete di distribuzione.......................................................... p 18
8. Le reti di distribuzione pubbliche e l’ambito emc............................................................. p 21
9. Qualità Dell’energia: la norma EN 50160.......................................................................... p 22
10.Qualità Dell’energia: le norme EN 61000-2-2, EN 61000-2-4, EN 61000-4-30 .......... p 26
10.1Norma EN 61000-2-2: livelli di compatibilità per i disturbi condotti
in bassa frequenza e la trasmissione dei segnali sulle reti pubbliche
di alimentazione a bassa tensione��������������������������������������������������������������������������������� p 26
10.2Norma EN 61000-2-4: livelli di compatibilità per disturbi condotti
in bassa frequenza negli impianti industriali������������������������������������������������������������������ p 27
10.3Norma EN 61000-4-30: Tecniche di prova e di misura Metodi di misura della qualità dell’alimentazione elettrica��������������������������������������������� p 30
11.Qualità dell’energia: diagramma e futuri sviluppi.............................................................. p 32
Schneider Electric
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 9
9
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
1. Concetto di qualità dell’energia
Qualità dell’Energia è un binomio che usualmente è seguito da due aggettivi qualificativi
quali “buona” o “cattiva”. La Qualità dell’Energia rappresenta l’epilogo di un approfondito
studio tecnico basato su analisi e ricerche, svolto da persone competenti e dotate di
un’apprezzabile esperienza nel settore impiantistico. È quindi il raggruppamento di più
azioni svolte. Chiaramente l’obiettivo e le azioni correttive messe in campo dagli esperti
sono sempre volte al raggiungimento di una buona o perlomeno soddisfacente Q.E. .
La Qualità dell’Energia è una materia di competenza delle reti di distribuzione, degli
impianti elettrici, delle apparecchiature e dell’elettrotecnica moderna. Ha diversi significati
e dipende dal contesto di cui fa parte. Per alcuni, la Q.E. traccia i confini entro cui le
apparecchiature elettriche possono garantire le prestazioni nominali senza un precoce
degrado nel tempo, per altri rappresenta la difesa dell’energia dagli effetti passivi dovuti alle
nuove tecnologie che paradossalmente dipendono da essa per funzionare, per altri ancora
semplicemente significa rispettare gli standard di riferimento imposti dalle norme.
È un argomento sempre più di maggior interesse, attuato dai diversi soggetti che
quotidianamente animano il mercato dell’energia elettrica con l’obiettivo di definire e
migliorare i suoi aspetti.
La Qualità dell’Energia rappresenta anche la materia per disciplinare e far convergere
in un punto comune sia le esigenze di utilizzo dell’energia elettrica, che deve essere
‘qualitativamente’ e ‘continuativamente’ presente sulle reti di distribuzione, sia le politiche di
produzione e gestione dell’energia.
Il concetto di Qualità dell’Energia non è per nulla semplice, se non fosse perché si può
riassumere appunto con i due aggettivi sopracitati. Il tema è molto vasto ed esistono
parecchie pubblicazioni sull’argomento. Oltreoceano, in America, si denomina con il termine
Power Quality.
La Qualità dell’Energia può essere associata al tema del risparmio e dell’efficienza
energetica poiché la prerogativa necessaria affinché si possa realizzare l’efficienza
energetica, ad esempio, di una macchina industriale, di una pressa, di un motore, di un
sistema d’illuminazione o altro, è quella della presenza di una preesistente adeguata Q.E.
e quest’ordine non può essere rovesciato: il risultato potrebbe non conseguire gli obiettivi
presupposti, anzi probabilmente si avrebbero effetti deleteri.
La Qualità dell’Energia deve essere accompagnata da formule matematiche o trovare
conferma nelle equazioni dell’elettrotecnica, in formule empiriche semplificate derivate da
anni di studi nella tecnica degli impianti industriali.
Questo è il presupposto necessario per non affidare la soluzione dei problemi della Q.E. al
caso!
10
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 10
Schneider Electric
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
2.Concetto di compatibilità
elettromagnetica (emc)
Sappiamo che le apparecchiature elettriche sono caratterizzate da terminologie che
definiscono i parametri costruttivi di dimensionamento e di funzionamento. Esiste però
anche un aspetto, non secondario, che definisce l’ambiente elettromagnetico di lavoro
maggiormente appropriato. Lo studio della Compatibilità Elettromagnetica, argomento di
studio trattato a livello internazionale dagli enti normatori, si occupa proprio di questo.
La Compatibilità Elettromagnetica, o più comunemente ‘EMC’, rappresenta la capacità
di un’apparecchiatura o di un sistema di lavorare correttamente nel proprio ambiente
elettromagnetico senza introdurre nel sistema disturbi intollerabili per sé o per altre
apparecchiature connesse al sistema stesso.
Storicamente i primi studi EMC avvengono nel primo ventennio del secolo scorso per poi
diventare sempre più un argomento discusso dall’introduzione dei transistor, dei circuiti
integrati e microprocessori.
Se però in passato erano i singoli produttori o normative locali a cercare di studiare e
contenere le varie problematiche EMC, ora la materia, per esigenze di collaborazione e
interscambi globali, per una libera circolazione dei prodotti e un abbattimento delle barriere
doganali, è disciplinata e regolamentata a livello internazionale.
Con la nascita dell’Europa molto si è fatto per la razionalizzazione delle varie norme EMC
vigenti grazie al CENELEC (Comitato europeo di normazione elettrotecnica) e l’ETSI
(Istituto europeo per gli standard delle comunicazioni), ossia gli enti normativi europei
più interessati alla Compatibilità Elettromagnetica, che in collaborazione con altri enti
normatori internazionali, ad esempio l’IEC americano (International Electrotechnical
Commission) e il CISPR (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques),
hanno uniformano l’aspetto EMC. A livello nazionale, gli enti normatori di riferimento per
l’Italia sono il CEI (Comitato elettrotecnico italiano) e il CONCIT (Comitato nazionale di
coordinamento per l’informatica e le telecomunicazioni).
Da tener presente che l’Europa, dal 1989, ha emanato una specifica direttiva europea
(89/336/CEE in origine, modificata negli anni a venire da altre direttive) che raggruppa
norme di base, ossia i documenti generali che definiscono metodi di prove e relative
strumentazioni, norme generiche, valide per tutti i prodotti utilizzati in specifici ambienti
(industria, ambiente domestico ecc…), e norme di prodotto che definiscono gli aspetti EMC
per ogni singola apparecchiatura.
La marchiatura dei prodotti immessi sul mercato con la sigla ‘CE’ è la garanzia del rispetto
delle normative vigenti in merito alla sicurezza intrinseca per l’uomo, ma anche dal punto
di vista elettromagnetico. Ogni prodotto, prima di una qualsiasi dichiarazione di conformità,
deve sottostare a prove eseguite in laboratori accreditati secondo normative armonizzate
emesse da enti di standardizzazione su mandato della commissione europea.
Lo studio concernente la Compatibilità Elettromagnetica si presta quindi a tracciare le
tecniche di prova e di misura cui i costruttori dovranno attenersi, al fine di realizzare singole
apparecchiature elettriche caratterizzate da bassi e alti livelli rispettivamente di emissività e
d’immunità ai disturbi elettromagnetici. Ma non solo!
Gli studi EMC stabiliscono anche i limiti di Compatibilità Elettromagnetica nei vari punti di
una realtà industriale, partendo dal punto di consegna (PCC – Point of Common Coupling)
sino ai vari punti di accoppiamento in impianto (IPC – In-plant Point of Coupling). Questi
ultimi classificandoli su tre distinti livelli secondo la gravosità. L’EMC, come visto, si occupa
quindi anche a pieno titolo dell’ambiente elettromagnetico di lavoro.
Le norme europee di riferimento alla Compatibilità Elettromagnetica sono definite dalla
sigla EN 61000 e ogni paese membro le ha adottate.
La serie di norme EN 61000 è pubblicata in parti separate secondo il seguente schema:
Parte-1: Generalità (Considerazioni generali, definizioni, terminologia).
Parte-2: Descrizione e classificazione dell’ambiente, livelli di compatibilità.
Parte-3: Limiti di emissione e d’immunità.
Parte-4: Tecniche di prova e di misura.
Parte-5: Guide d’installazione e attenuazione
Parte-6: Norme generiche
Parte-9: Miscellanea
Schneider Electric
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 11
11
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
Al loro interno le parti sono ulteriormente suddivise. La norma EN 61000-4-30 (Tecniche
di prova e di misura - Metodi di misura della qualità dell’alimentazione elettrica) ne è una
dimostrazione.
I fenomeni di disturbo considerati dagli studi EMC, a proposito della bassa frequenza e in
sistemi a 50/60Hz, principalmente riguardano:
––
––
––
––
––
––
––
le deviazioni della tensione elettrica;
i buchi di tensioni e le interruzioni brevi;
la dissimmetria;
la variazione di frequenza;
le armoniche;
le interarmoniche;
le sovratensioni transitorie.
L’impegno EMC è fondamentalmente quello di garantire alla tensione elettrica il suo stato
sinusoidale puro evitandone la distorsione dovuta ai disturbi elettromagnetici, quindi di
poter affermare che: “Esiste compatibilità se la probabilità di scostamento dalle prestazioni
previste è sufficientemente contenuta”.
12
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 12
Schneider Electric
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
3.Qualità dell’energia e compatibilità
elettromagnetica: le correlazioni
Potrebbe esistere una correlazione tra gli studi della Compatibilità Elettromagnetica con
quelli per la Qualità dell’Energia? La risposta è si!
È risaputo che lo scopo degli studi sulle emissioni elettromagnetiche delle apparecchiature
elettriche è, indirettamente, anche quello di non peggiorare la Q.E. complessiva ove e
quando tali apparecchiature saranno connesse a una rete elettrica. Inoltre l’espressione
‘introdurre nel sistema’, individuabile nella definizione di Compatibilità Elettromagnetica
(§2), sottintende la presenza sia di un ambiente di propagazione di disturbi quale l’etere sia
di qualunque mezzo di collegamento fisico di unione ad altre apparecchiature e altri sistemi,
quindi un esplicito riferimento alle reti elettriche di collegamento di qualsiasi genere, dagli
impianti elettrici di tipo civile a quelli industriali, dai circuiti stampati alle reti di distribuzione.
Qui hanno luogo molti dei fenomeni elettrici discussi dallo studio sull’EMC trattati in questa
pubblicazione.
La Q.E. deriva necessariamente dall’applicazione corretta degli studi relativi alla
Compatibilità Elettromagnetica (EMC). Le norme EN 61000-2-2 ed EN 61000-2-4
rappresentano il giusto riferimento per disquisire di EMC sulle reti pubbliche di distribuzione
elettrica e negli impianti industriali, per i disturbi condotti compresi in un range di frequenze
sino a 9kHz.
Un capitolo a parte deve essere invece dedicato alla norma EN 50160, poiché, utilizzando
le basi di calcolo della norma EMC EN 61000-4-30, interpreta la Q.E., al punto di consegna
di energia pubblico (PCC), da un punto di vista statistico.
Senza dubbi è possibile affermare che la Qualità dell’Energia e gli studi relativi alla
“Compatibilità Elettromagnetica” hanno molto in comune.
Nella figura 3a è rappresentato un modello di propagazione dei disturbi elettromagnetici di
tipo ‘radiato’ e ‘condotto’. I disturbi sono rilevati da apposite sonde ad ampio spettro capaci
di analizzare sia lo spazio libero sia le reti cablate. La Compatibilità Elettromagnetica è
garantita quando i disturbi emessi sono reciprocamente contenuti e tollerati allo stesso
tempo da entrambe le sorgenti.
Figura 3a: Esempio di propagazione condotta e radiata. (S1-S2: Sorgenti elettromagnetiche).
Schneider Electric
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 13
13
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
4.Qualità dell’energia e compatibilità
elettromagnetica: le variabili
impreviste.
Per quanto gli enti normatori si prestino ad amalgamare sempre più gli studi EMC con le
esigenze impiantistiche moderne e le gestioni delle reti pubbliche e private, esistono però
ancora quotidiane esperienze che trovano nell’EMC una sua limitazione d’interpretazione.
Ciò è dato dal fatto che gli studi EMC caratterizzano, dal punto di vista elettromagnetico
ogni tipologia di apparecchiatura.
Un costruttore può, infatti, progettare e costruire un determinato prodotto, ad esempio
un variatore di velocità conforme a tutte le direttive comunitarie, quindi realizzare una
produzione su vasta scala di quel prodotto con la consapevolezza di avere creato un
prodotto EMC compatibile. Il mercato, di conseguenza, sarà ulteriormente arricchito per la
presenza di questo nuovo prodotto che potrà essere acquistato dal cliente finale.
Cosa potrebbe accadere se il cliente finale, per esigenze impiantistiche e al fine di
realizzare, ad esempio, una nuova linea produttiva, acquistasse decine e decine di variatori
di velocità di quel tipo che potrebbero funzionare contemporaneamente fra loro usufruendo
della stessa rete elettrica?
E ancora: la rete elettrica potrebbe soffrire di problemi di Q.E. pur essendo il nostro cliente
in possesso della documentazione che attesta la certificazione EMC dei prodotti acquistati?
Le risposte sono la chiara conferma che in un sistema elettrico locale, quale la rete di
distribuzione di un’industria, la certificazione EMC per le apparecchiature non è sufficiente
per evitare l’insorgenza di probabili problemi di Q.E. . Bisogna, infatti, tener conto che
le emissioni di ogni singola apparecchiatura, a differenza delle prove di laboratorio,
interagiranno elettromagneticamente con le emissioni di altre apparecchiature utilizzate
tipicamente e necessariamente, riferendoci all’esempio precedente, per la costruzione della
nuova linea (ups, plc, convertitori, alimentatori switching, sistemi di illuminazioni, motori
elettrici, pompe oleodinamiche, compressori ecc…). Quindi, probabilmente, la coesione di
più disturbi sulla stessa rete potrà creare criticità tali da poter degradare una determinata
apparecchiatura, pur essendo l’apparecchiatura stessa immune ai disturbi, quando
considerati singolarmente. Le stesse normative ne prevedono la possibilità!
Le reti e gli impianti industriali possono quindi riservare, di solito, qualche piccola brutta
sorpresa a prescindere dalla volontà del progettista di coordinare correttamente le
emissioni elettromagnetiche.
Immaginate ora, nel pieno delle soluzioni elettroniche, cosa potrebbe accadere se un
sistema o ambiente industriale fosse realizzato con metodi progettuali superficiali, incuranti
della Compatibilità Elettromagnetica. Ebbene il dato statistico dei problemi occorsi ai
banchi di rifasamento per la correzione del fattore di potenza, è il classico esempio che
dimostra quanto gli studi sulla Compatibilità Elettromagnetica siano spesso poco applicati
o sconosciuti. In questo caso è il fenomeno elettromagnetico della risonanza elettrica ad
essere trascurato, cui verrà dedicato un paragrafo di questa pubblicazione nella sezione
successiva.
14
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 14
Schneider Electric
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
5.Qualità dell’energia e disturbi
elettromagnetici:
il bilanciamento ideale
Per descrivere il seguente capitolo si associano alle definizioni di ‘Qualità dell’Energia’ e
‘Disturbi’ determinate aree geometriche. In figura 5a si sono quindi disegnate due aree
concentriche per rappresentare una Qualità dell’Energia locale (in giallo) che è contenuta
in una Qualità dell’Energia più vasta e globale (in marroncino), mentre al centro della
rappresentazione è indicata un’area poliforme riassuntiva dei disturbi intrinseci, ad esempio,
di un determinato complesso industriale.
Figura 5a: Rappresentazione del rapporto: Q.E. /
Disturbi >1
Figura 5b: Rappresentazione del rapporto: Q.E. /
Disturbi <1, con Disturbi > Q.E. locale
Figura 5c: Rappresentazione del rapporto: Q.E. / Disturbi <1, con Q.E. locale < Disturbi .
Schneider Electric
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 15
15
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
Nella realtà la figura 5a rappresenta la condizione ideale di ripartizione di problemi
elettromagnetici e disponibilità di Q.E. . Nella figura accade che la Q.E. locale,
rappresentativa della Qualità dell’Energia di una rete elettrica locale ove un’industria, ad
esempio, ne sia connessa, è contenuta in un’area Q.E. globale, rappresentativa della
Qualità dell’Energia, ad esempio, dell’intera rete di distribuzione, e la somma dei disturbi
elettromagnetici del complesso industriale preso come esempio, rappresentati dall’area
poliforme centrale, resta contenuta e quantitativamente inferiore all’area della Q.E. locale.
Può spesso accadere che questi confini non siano così marcati e distinti per una serie di
motivi che interessano sia le reti di distribuzione elettrica sia gli impianti utilizzatori.
Accade quindi che l’area dei disturbi sia superiore alla superficie riguardante la Q.E. locale,
vedi figura 5b, sovrastandola oppure accade che sia l’area della Q.E. locale ad assottigliarsi
rispetto alla somma dei disturbi EMC del complesso industriale come in figura 5c.
Le figure 5b e 5c rappresentano condizioni impiantistiche da evitare poiché generano una
bassa Qualità dell’Energia.
Dal punto di vista numerico e ai fini del conseguimento di una buona Q.E. è sempre
auspicabile ottenere un numero superiore all’unità dal seguente rapporto tra le aree
interessate:
Formula 5.1
Questa espressione è la base fondamentale della materia di studio della Qualità
dell’Energia.
Uno studio d’ingegneria, in sede di progettazione di un impianto e al fine di raggiungere un
appropriato equilibrio numerico, deve sapere bilanciare le possibilità di continuità e qualità
della fornitura di energia elettrica fornite dal distributore, con la presenza di carichi non
lineari o apparecchiature capaci di creare condizioni critiche di funzionamento all’intero
sistema.
Da queste semplici considerazioni un osservatore può facilmente capire che per ottenere
un’apprezzabile Qualità dell’Energia bisogna essere molto accorti!
16
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 16
Schneider Electric
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
6.Le interazioni elettromagnetiche
sulle reti di distribuzione
Ecco rappresentato in figura 6a un esempio grafico per capire meglio la dinamica degli
equilibri tra i disturbi elettromagnetici che sono presenti sia sulle reti elettriche sia negli
impianti industriali e che devono essere contenuti al fine del raggiungimento di una buona
Qualità dell’Energia.
Figura 6a: Dinamica degli equilibri tra Q.E. e disturbi nelle reti di distribuzione.
Sempre associando alle grandezze da valutare aree geometriche abbiamo rappresentato una
rete di distribuzione elettrica complessiva (in marroncino) e tre reti locali (in giallo) alimentate
da essa (reti 1, 2, 3). All’interno delle tre reti locali troviamo rappresentate figure poliformi (Ut)
associate ad aree di disturbo diversamente colorate. Le reti locali sono assoggettabili, ad
esempio, a realtà industriali interconnesse fra loro per mezzo della rete complessiva.
Osservando la figura 6a si può intuire che in tale sistema complessivo si possono riscontrare
tutte le situazioni già descritte al capitolo §5 contemporaneamente (figura 5a, 5b, 5c).
Se si paragonasse la figura 6a a una cattura istantanea sarebbe possibile constatare che
la rete locale-3 è povera dal punto di vista della Q.E. per i motivi già descritti al precedente
capitolo §5, quindi perché il rapporto AQ.E/ADisturbi < 1.
Tale rete è, infatti, sopraffatta da due tipi di disturbi prodotti dalle utenze UtH e
UtI che, propagandosi anche nella rete complessiva, stanno rispettivamente ed
elettromagneticamente interagendo con le reti locali-1-2.
Probabilmente alcune apparecchiature installate su queste ultime reti potranno soffrire di
questa perturbazione elettromagnetica. È il caso delle utenze UtC e UtG, dove si assiste
all’accusa di un disturbo importato dalla rete complessiva.
Nella figura 6a sono rappresentate anche delle interazioni elettromagnetiche tra le utenze
UtB e UtD verso l’utenza UtA, nella rete locale-1.
Da questo banale esempio analitico si deduce che la possibilità d’interazioni
elettromagnetiche dei disturbi sulle reti elettriche sia numericamente e istantaneamente
d’infinite combinazioni.
Ma cosa bisogna fare, come agire e quali strumenti si possono utilizzare per ottenere una
determinata Qualità dell’Energia sulle reti di distribuzione?
La risposta a queste domande si chiama ‘Pianificazione delle reti’ (§7). È un argomento
che interessa sia l’ente distributore sia l’utilizzatore finale i quali convengono sul fissare un
appropriato livello di pianificazione.
Nella pianificazione spesso si discute di ‘emissioni’, di ‘propagazione’ dei disturbi e di
‘suscettibilità’, utilizzando prontamente una ‘politologa’ terminologia EMC.
L’argomento è applicato alle grandi apparecchiature e installazioni o sistemi, sulle reti a
media e alta tensione ma, poiché la propagazione dei disturbi può interessare tutti i livelli di
tensione, il coordinamento deve considerare anche la bassa tensione.
Schneider Electric
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 17
17
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
7.Pianificazione e analisi di una rete
di distribuzione
Affrontiamo l’argomento della pianificazione, introducendo il significato di alcuni termini
utilizzati in ambito EMC, sulle reti di distribuzione pubblica e in impianto. Considerando
queste minime definizioni tecniche e concettuali, sarà più semplice affrontare e apprendere
ciò che sottintende la pianificazione che riguarda principalmente grandi realtà industriali
o utenze elettriche, il cui impegno di potenza è significativo rispetto alla potenza di
cortocircuito della rete.
– Compatibilità Elettromagnetica: capacità di un apparecchio o sistema di funzionare
correttamente nel proprio ambiente elettromagnetico senza introdurre disturbi
elettromagnetici tali da comprometterne il funzionamento dell’ambiente stesso.
– Livello di Compatibilità Elettromagnetica: è il livello di disturbo utilizzato per coordinare i
limiti di emissione e immunità. È il livello di severità che caratterizza l’ambiente considerato.
In un impianto, per ogni disturbo (armonica, buco di tensione, flicker ecc..) esiste uno
specifico livello di Compatibilità Elettromagnetica.
– Livello di Pianificazione: il livello di Pianificazione è il valore di disturbo elettromagnetico
concordato tra il gestore della rete e l’utilizzatore finale. Rappresenta in sintesi l’asticella
che i disturbi emessi non dovranno superare.
– Disturbo elettromagnetico: è un fenomeno elettromagnetico che altera le prestazioni
di un’apparecchiatura o di un sistema. Un buco di tensione ne è un esempio. I disturbi si
dividono principalmente secondo il metodo di propagazione e per la suddivisione delle
frequenze elettromagnetiche associate. Si avranno quindi rispettivamente disturbi radiati o
condotti e disturbi LF o HF, cioè a bassa e alta frequenza.
– Disturbo condotto: disturbo che utilizza un mezzo fisico, quale una rete elettrica, per la
sua propagazione. Il disturbo condotto è considerato sino a una frequenza di 30MHz.
– Disturbo radiato: disturbo che utilizza lo spazio libero, l’etere, per la sua propagazione.
L’intervallo delle frequenze di disturbo è tra 30MHz e 1GHz.
– Livello Disturbo elettromagnetico: per ogni disturbo elettromagnetico è previsto un metodo
di misurazione che ne determina una scala di valori. Un buco di tensione è quantificabile,
ad esempio per la sua profondità, da un valore percentuale riferito alla tensione nominale.
– Suscettibilità: rappresenta il degrado delle prestazioni di un’apparecchiatura o sistema
alla presenza di un determinato disturbo.
– Immunità: capacità di un’apparecchiatura o di un sistema di funzionare alla presenza di
un determinato livello di disturbo elettromagnetico.
– Livello d’immunità: rappresenta il livello di disturbo massimo sopportabile per
un’apparecchiatura o un sistema, prima di un loro degrado delle prestazioni.
– Caratteristica della tensione di alimentazione: limiti o livelli di disturbo ammissibili per una
determinata rete di distribuzione elettrica.
Ipotizziamo quanto segue: in appropriata sede l’ente distributore e l’utente finale, associabile
per esempio all’industria rappresentata dalla rete locale-1 di figura 6a, convergono sulle loro
relative esigenze di mantenere rispettivamente sia un’adeguata Qualità dell’Energia sulla
rete di distribuzione, sia la possibilità dell’allacciamento sulla rete di un carico distorcente
oppure di diverse tipologie di carichi non-lineari elettricamente inquinanti.
La preoccupazione del distributore consiste nel riuscire a mantenere alta la Q.E. della
propria rete, poiché essa rappresenta un’infrastruttura cablata, quindi con la possibilità di
alimentare altre reti elettriche o utenze finali. Nel nostro caso, sempre con riferimento alla
figura 6a, sono le reti locali 2, 3. Il cliente finale richiede invece al distributore una costante
fornitura di energia elettrica a garanzia del funzionamento della realtà industriale.
Le esigenze e le attese di entrambi i soggetti, come evidente, sono diverse, ma entrambe
legate! Il punto di accordo è riconducibile al concetto di ‘Pianificazione delle reti’, che
consiste nel mantenere l’emissione di disturbi elettromagnetici a un livello prestabilito
e inferiore a quello che tendenzialmente potrebbe provocare perturbazioni EMC, non
tollerabili sulla rete elettrica.
18
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 18
Schneider Electric
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
Il distributore, proprio perché la rete, come si diceva, è condivisa con altre realtà, avrà
comunque un ruolo predominante nella trattativa, quindi con il riserbo dell’ultima parola e la
tendenza a esigere, dall’utente finale, garanzia e rispetto dei livelli di pianificazione stabiliti.
Tutte le apparecchiature connesse a tale sistema dovranno poi presentare un’immunità
sufficiente per sopportare, senza degrado, i livelli di disturbo presenti. Se in una
pianificazione si prevederà, ad esempio, l’ammissibilità di un disturbo armonico del quinto
ordine in tensione del 6%, l’immunità minima prevista per le apparecchiature, su quella rete
e per quel disturbo, sarà minimo del 6%.
Se, ancora per esempio, la presenza di un carico elettrico sarà tale da provocare una
caduta di tensione del 9% per quindici millisecondi, tutte le apparecchiature collegate al
sistema dovranno possedere un grado d’immunità bidimensionale minimo e compatibile,
per non divenire suscettibili a entrambe le condizioni.
La figura 7a è un esempio di rappresentazione dei valori bidimensionali dell’immunità di
un’ipotetica apparecchiatura sensibile a una variazione arbitraria di tensione e di frequenza.
L’area in azzurro ne rappresenta la non suscettibilità.
Figura 7a: Esempio di valutazione bidimensionale dei livelli d’immunità di un’apparecchiatura elettrica.
Un esempio grafico può semplificare la comprensione della pianificazione tra le parti.
Il riferimento è alla figura 7b descrittiva di un’analisi dei disturbi elettromagnetici propri, ad
esempio delle reti locali A e B.
Figura 7b: Pianificazione dei disturbi elettromagnetici per le reti locali A e B
Schneider Electric
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 19
19
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
Nel modello di figura 7b, per semplificare i concetti, si ricorre nuovamente a semplici
elementi geometrici, quindi rappresentando le reti A e B nel modo raffigurato. Le differenti
linee colorate mostrano i diversi livelli descrittivi del coordinamento della rete. Fra questi vi è
la caratteristica della rete (EN50160) e i livelli di pianificazione prestabiliti.
Le figure poliformi bianche e nere rappresentano i carichi distorcenti, mentre le frecce rosse
indicano le interazioni elettromagnetiche che ipoteticamente avvengono nelle reti locali e
che, in alcuni casi, protendono a intaccare la Qualità dell’Energia della rete complessiva.
Quanto descritto si ricollega benissimo al capitolo §6 ed anche alla figura 6a.
Ricordiamo bene che per ogni livello di disturbo EMC pianificato valgono più
rappresentazioni di figura 7b. A tal proposito, si evidenziano:
– il livello di pianificazione concordato tra le parti;
– il livello di Compatibilità Elettromagnetica complessivo per l’impianto;
– il livello rappresentativo della caratteristica della tensione della rete pubblica;
– il livello d’immunità dell’impianto.
Il progettista dovrà tenere conto che, per ogni singolo livello di disturbo EMC, la somma
delle emissioni elettromagnetiche delle apparecchiature installate nelle reti locale A e B,
rappresentate dalle varie utenze elettriche poliformi, non dovrà superare il corrispettivo
‘livello di Pianificazione’ e il ‘livello di Compatibilità Elettromagnetica’, se non in casi
eccezionali (probabilità accettata ≤ 5%).
È bene poi evitare di superare il ‘livello della caratteristica della tensione della rete pubblica
di distribuzione’ e ancor più il ‘livello d’immunità’. Il prezzo da pagare, sarà quello di
compromettere la Q.E. della rete complessiva da una parte e di aumentare la probabilità di
accusare guasti al parco di apparecchiature installate o a parte di loro, specialmente le più
sensibili, dall’altra.
Il livello di Pianificazione è tenuto inferiore al livello di Compatibilità Elettromagnetica per
garantire un margine di ‘sicurezza’ EMC. Questo accade per i disturbi non previsti che
potrebbero manifestarsi a causa del profilo stesso della rete, per l’insorgenza di fenomeni di
risonanza elettrica o anche per l’inadatta manutenzione della rete di distribuzione.
Il distributore è coadiuvato anche dal Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI) e dall’autorità
per la regolamentazione del mercato elettrico (AEEG), i quali stabiliscono regole
certe affinché l’utente finale rispetti i criteri pattuiti. La norma CEI 016 rappresenta,
intrinsecamente, la più recente guida per disciplinare questa particolare nozione oltre che
a regolamentare e normalizzare le connessioni degli utenti alle reti pubbliche di media e
alta tensione. Il fine della norma è anche quello di indurre tutte le utenze a conformarsi
alle nuove regole di connessione quindi a esibire una ‘Dichiarazione di Adeguatezza’ del
proprio punto di connessione con la rete del distributore. All’utente moroso sarà applicata
una sanzione pecuniaria, cioè il pagamento di un ‘Corrispettivo Tariffario’ da pagare al
distributore sino alla messa a norma del sistema.
Le regole tecniche di riferimento per la connessione di utenti attivi e passivi alle reti di
bassa tensione (≤ 1kV) dei distributori di energia elettrica, sono invece raccolte nella norma
CEI 021.
20
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 20
Schneider Electric
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
8.Le reti di distribuzione pubbliche
e l’ambito EMC
Le reti di distribuzione pubbliche, per quanto estese e interconnesse, non sono da
considerarsi pure dal punto di vista dei disturbi elettromagnetici. La realtà vuole che
anch’esse condividano punti forti e punti deboli al pari di ogni altra qualsiasi rete
infrastrutturale quale, ad esempio, una rete di distribuzione idrica dove, riferendosi ai soli
punti deboli, sono possibili perdite idrauliche, cali di pressione o di fornitura, possibilità
di rottura delle tubazioni, inquinamento dell’acqua ecc… . Nel dettaglio le reti elettriche
di distribuzione pubbliche sono costituite da molteplici elementi che, se considerati
singolarmente, sono caratterizzati da una propria condizione elettromagnetica. I generatori
elettrici, componenti fondamentali per la creazione del potenziale elettrico, possono
essere macchine elettriche contraddistinte da propri livelli di emissione di disturbi. Le reti
di distribuzione, ossia le vere interconnessioni fisiche per il trasporto dell’energia elettrica,
sono composte da linee aeree caratterizzate dalla presenza di capacità parassite e
induttanze, più comunemente conosciute come parametri longitudinali o trasversali delle
linee. Inoltre esse si prestano alla propagazione diretta di fenomeni elettrici dannosi quali,
ad esempio, le sovratensioni di manovra o anche la fulminazione. Ci sono poi le stazioni di
trasformazione con macchine elettriche, quali i trasformatori, fondamentali elementi per la
trasformazione della tensione elettrica, legati anch’essi, per natura costruttiva, ad emissioni
elettromagnetiche. Si prosegue con il binomio cavi elettrici e relative capacità parassite.
Poi c’è un’infinità di differenti componenti elettrici quali ad esempio le apparecchiature di
protezione, di misura, di controllo, di trasmissione di segnali ecc… . Il tutto è distribuito ai
vari livelli di tensione elettrica poiché la rete di trasporto è dinamica e riconfigurabile per
soddisfare le necessarie esigenze di trasporto e utilizzo.
Riassumendo, le reti elettriche di distribuzione sono costituite da una moltitudine di parti
attive e passive che, nella loro globalità, potrebbero diventare un argomento di studio
appetibile dal punto di vista della Compatibilità Elettromagnetica. Ma ciò non accade
proprio per la complessità dei parametri in gioco.
Anche la Comunità Europea avrebbe considerato questi aspetti, incaricando il comitato
europeo di normazione elettrotecnica (CENELEC) al fine di redigere una norma europea
per definire e descrivere le caratteristiche della tensione elettrica sulle reti a bassa, media e
alta tensione.
Dal 1999 a oggi, la comunità europea si è quindi dotata della norma EN 50160 che,
pur trattando l’energia elettrica come fosse un prodotto finito, stabilisce regole comuni
per i paesi membri oltre a rappresentare un punto di riferimento certo per aumentare
statisticamente la Qualità dell’Energia sulle reti pubbliche.
Schneider Electric
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 21
21
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
9.Qualità dell’energia:
la norma EN 50160
La norma europea EN 50160 specifica i requisiti della tensione elettrica delle reti pubbliche
di distribuzione dell’energia elettrica.
Essa descrive i limiti e i valori entro i quali le caratteristiche della tensione possono
verificarsi ai punti di alimentazione pubblica (PCC), durante il normale esercizio della
distribuzione elettrica, escludendo quindi condizioni dipendenti dall’impraticabilità degli
operatori a mantenere i regolari flussi di energia a causa, ad esempio, di calamità naturali,
interruzioni programmate ecc….
Tali limiti sono definiti per le seguenti grandezze elettriche:
– frequenza;
– ampiezza;
– forma d’onda;
– simmetria delle tensioni di fase.
La norma si riallaccia a molti importanti aspetti EMC tra i quali il metodo della misura e
dell’aggregazione dei valori rilevati, che avviene secondo la norma EN 61000-4-30. A
quest’ultima norma, che definisce le tecniche di prova e di misura e i metodi di misura della
qualità dell’alimentazione elettrica, verrà dedicato un successivo capitolo.
La norma EN 50160, basandosi su un periodo di osservazione minimo di una settimana,
permette una valutazione statistica del comportamento della rete.
Essa stabilisce poi i limiti dei fenomeni elettrici, ma senza fornire dati quantitativi certi sul
numero di volte per cui un determinato evento, passivo per la rete, può accadere. Se le
pubblicazioni precedenti contenevano alcune indicazioni numeriche sul numero di volte
per cui un evento poteva essere conteggiato (un buco di tensione era contato da qualche
decina fino a un migliaio di volte, la breve interruzione della fornitura da qualche decina a
parecchie centinaia di volte), ora l’approccio è diverso e il riferimento principale è dato da
dati statistici europei e nazionali, in possesso della Autority per l’Energia.
In Italia tale istituzione è rappresentata dall’AEEG (Autorità per l’energia elettrica e il gas),
la quale regola e controlla il settore dell’energia elettrica e del gas e si occupa anche di:
– definire la qualità delle reti;
– stabilire i parametri per definire le tariffe dell’energia elettrica;
– comporre le regole per le connessione alle reti fornendo anche i dati statistici;
– stabilire i meccanismi d’indennizzo automatico;
– emettere delibere e regolamenti attinenti il settore elettrico (contratti di qualità - testo
integrato della regolazione della qualità dei servizi di distribuzione, misura e vendita
dell’energia elettrica ecc…).
Si ricorda che l’argomento energia è particolarmente delicato e legato agli aspetti politici
pubblici e privati di ogni paese e che i piani energetici sono di competenza ministeriale.
Questo spiega perché dal 1995 si è costituita, per legge, un’apposita Autority nazionale
che, oltre ad assolvere i compiti precedentemente elencati, recepisce la norma EN50160
permettendole di regolamentare la qualità delle reti e di definire, ad esempio, il numero
di volte per cui una lunga interruzione della fornitura elettrica possa verificarsi, stabilendo
quindi i meccanismi d’indennizzo economico automatico nel caso di una non osservanza.
Per il controllo degli eventi che interessano la distribuzione elettrica nazionale, l’Autority
per l’energia promuove campagne di misura, coinvolgendo centri di ricerca di carattere
nazionale. Per monitorare in maniera più capillare la rete a media tensione e per ottenere
maggior dati statistici utili a migliorare la qualità della rete stessa, sarà necessario un
maggior coinvolgimento delle imprese distributrici e dei singoli utenti.
22
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 22
Schneider Electric
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
Il singolo utente per poter partecipare dovrà adottare un sistema di misura conforme
alla norma EN 61000-4-30. Ad oggi però, le aziende che si sono dotate di sistemi di
supervisione e monitoraggio della Q.E. o che abbiano compiuto periodiche campagne
di misura in pieno accordo alla norma EN 50160 al punto della fornitura elettrica (PCC),
sono ancora poche. Tale fenomeno è determinato anche dal fatto che il mercato elettrico
italiano è particolarmente ‘viziato’. Spesso l’unica prassi attuata dalle aziende è di relegare
la compravendita dell’energia a società esterne con l’obiettivo di pagarla poco piuttosto che
ricorrere alla qualificata professionalità dell’Energy Manager per un costante monitoraggio
dei consumi, per attuare piani di risparmio energetico e per raccogliere i dati statistici.
Un’utile rappresentazione dell’applicabilità della norma EN 50160 è riprodotta dalla figura
9a, dove sono elencati i termini tecnici che sono associati alla grandezza ‘tensione elettrica’
in funzione del suo scostamento dal valore nominale, in percentuale e in funzione del
tempo.
Figura 9a: Applicazione grafica della norma EN50160
La nuova edizione della norma distingue i ‘fenomeni continui’, più legati al funzionamento
della rete, dagli ‘eventi di tensione’, dovuti ad anomalie indesiderate e le tabelle 9b e 9c
evidenziano i limiti/valori cui le grandezze elettriche devono attenersi.
Si ricorda che i valori sono validi per i sistemi di distribuzione a alta, media e bassa
tensione e che nei sistemi di AT e MT il riferimento per la valutazione statistica della Q.E. è
la tensione concatenata, mentre in BT il valore di riferimento della tensione elettrica è pari
a 230V (in Italia il valore di Un è di 220V/380V per effetto di una legge attualmente in via di
abrogazione).
Schneider Electric
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 23
23
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
Nei sistemi a media tensione, qualora esistesse uno scostamento dal valore nominale della
tensione a quello effettivamente esercito, la definizione di tensione dichiarata Uc si sostituirà
alla definizione di tensione nominale Un . Nei casi ove non sussistesse tale divergenza
prevarrà la definizione classica di tensione nominale Un . Prendendo come esempio
un classico fenomeno che interessa le reti a media tensione quale il ‘buco di tensione’
e osservando la tabella 9b, si può notare dapprima che, per essere definito nel modo
sopraccitato, il fenomeno registrato deve presentare la prerogativa dell’abbassamento della
tensione elettrica nominale dal 90% all’5% del suo valore, poi durare per un tempo variabile
da 10 millisecondi a 1 minuto.
Grandezza elettrica
Distribuzione Intervallo di misura Limite
Frequenza nominale 50Hz BT / MT / AT
Media RMS di ogni 10
sec
Arco di tolleranza
±1%
+4% ÷ - 6 %
Durante il 99,5% di un anno
Durante il 100% del tempo
±2% (sistemi in isola)
±15% (sistemi in isola)
Durante il 95% di una settimana
Durante il 100% del tempo
Variazione della tensione BT / MT
di alimentazione
Media RMS di ogni 10
min
±10% di Un (BT)
±10% di Uc (MT)
+10% ÷ -15% di Un (BT) / di UC (MT)
Per il 95%dei valori di una settimana (BT)
Per il 99%dei valori di una settimana (MT)
Per il 100% dei valori
Nota x AT: valori stabiliti da contratti individuali
Variazioni rapide della
tensione
BT / MT
Numero di eventi
giornalieri
5% di Un (BT)
4% di Un (MT)
Nota x BT: in alcune circostanze 10% di Un
Nota x MT: in alcune circostanze 6% di Un
Nota x AT: valori non definiti
Severità del flicker (Plt)
BT / MT / AT
Media di 2 ore
≤1
Per il 95% dei valori del tempo
Dissimmetria: (Uinv./Udir) BT / MT / AT
Media RMS di ogni 10
min
0% ÷ 2 %
Per il 95% dei valori di una settimana
Nota: in alcuni casi ≤ 3%
Tensione armonica totale BT / MT
(THDV%)
Media RMS di ogni 10
min
THD < 8%
Per il 95% dei valori di una settimana
Nota: per le singole armoniche vedi tabella 9c
Nota: armoniche considerate sino al 40°
ordine
Nota x AT: il limite per il THDV% totale è allo
studio
Tensioni interarmoniche
BT / MT
Allo studio
Allo studio
Nota x AT: valori non forniti
Trasmissione segnali
BT / MT
Media RMS di ogni 3
sec
Vedi norma EN 50160
Per il 99% dei valori di un giorno
Nota x AT: valori non forniti
Numero di eventi per
anno
Profondità: < 5% di Un
Durata: da <1s (VSI)
Durata: 1s ÷ 3min. (SI)
Durata: > 3min. (LI)
Nota: l’interruzione è definita tale quanto
entrambe le tensioni di riferimento scendono
sotto soglia
- Interruzioni molto brevi
(VSI)
- Brevi interruzioni (SI)
- Lunghe interruzioni (LI)
Buchi di tensione
AT / BT / MT
Numero di eventi per
anno
Tensione residua: dal 5% al 90% di Un
Durata: 10ms ÷ 60s
Nota: valore isteresi 2%
Nota: la tensione residua è il minimo valore di
tensione raggiunto durante l’evento.
Sopraelevazione delle
tensioni (50Hz)
AT / BT / MT
Numero di eventi
> 110% Un
Durata: 10ms ÷ 60s
< 1.7 x Uc (in MT con neutro a terra)
< 2 x Uc (in MT con neutro isolato/comp.)
Nota: sono considerati anche i valori
110%<Un<120%
Sovratensioni transitorie
(tra fasi e tra fasi e terra)
BT / MT
Numero di eventi
< 1,5kV (BT)
< 1,7kV(MT isolato); < 2kV (MT compensato);
Durata: 1µs ÷ pochi ms
Nota per MT e AT: l’isolamento dell’utente
dovrebbe essere compatibile con quello della
rete
Tabella 9b: Limiti e archi di tolleranza delle grandezze elettriche secondo la norma EN 50160
(in marrone: fenomeni continui / in giallo: eventi di tensione)
Armoniche dispari
Non multiple di 3
Armoniche pari
Multiple di 3
Ordine
(GN)
Ampiezza %
Ordine
(GN)
Ampiezza %
Ordine
(GN)
Ampiezza %
5
6% (5%)
7
5% (4%)
3
5% (3%)
2
2% (1,9%)
9
1,5 % (1,3%)
4
11
3,5 % (3%)
1% (1%)
15
0,5 % (0,5%)
6÷24
0,5 % (0,5%)
13
17
3% (2,5%)
21
0,5 % (0,5%)
2%
Allo studio
19
1,5 %
Allo studio
23
1,5 %
Allo studio
25
1,5 %
Allo studio
Nota: in parentesi i valori
per l’alta tensione
Tabella 9c: Limiti e archi di tolleranza percentuali delle tensioni armoniche di BT-MT-AT,
secondo la norma EN 50160
24
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 24
Schneider Electric
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
Guardando invece alla ‘variazione della tensione’ di bassa tensione, il cui scostamento
percentuale dal valore nominale deve essere contenuto nel +/-10%, si osserva che tale
variazione, come definito nella colonna ‘arco di tolleranza’, deve essere rispettata per il 95%
di una settimana. Questo equivale a dire che, essendo l’intervallo di misura di riferimento
pari a 10 minuti ed essendo una settimana composta di 1008 intervalli da 10 minuti, tale
variazione percentuale può essere superata per più di otto ore. Infatti il 5% di 1008 intervalli
da 10 minuti equivale a poco più di otto ore. Comunque non è ammessa una variazione del
-15% del valore nominale per il 100% del tempo osservato. Alle armoniche di tensione, vedi
tabella 9c, sono invece associati valori fissi percentuali da non superare.
Si ricorda che le categorie di tensione alternata sono definite come segue:
– Distribuzione elettrica di BT Un<1kV
– Distribuzione elettrica di MT 1kV<Un<36kV
– Distribuzione elettrica di AT 36kV<Un<150kV
La norma considera anche le caratteristiche della tensione elettrica per le reti ad alta
tensione, stabilendo però limiti indicativi e rimanendo in attesa di nuove indagini di misura.
Un passo avanti è stato fatto anche per i costruttori di apparecchiature elettriche
nell’individuare il livello d’immunità più idoneo per la connessione in rete dei loro prodotti.
La norma, infatti, classificando e tabulando i buchi di tensione sia per durata sia per il valore
di tensione residua raggiunto, permette l’associazione tra la condizione elettromagnetica
di una rete elettrica pubblica e la classe d’immunità dell’apparecchiatura che utilizzerà tale
rete per il suo funzionamento e che è determinata dalle norme di prodotto.
Schneider Electric
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 25
25
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
10.Qualità dell’energia:
le norme EN 61000-2-2,
EN 61000-2-4, EN 61000-4-30
Le norme EN 61000-2-2 e EN 61000-2-4 sono raccolte nella Parte-2 (Descrizione e
classificazione dell’ambiente, livelli di compatibilità) della famiglia di norme EN 61000 e
fissano i livelli di Compatibilità Elettromagnetica rispettivamente per le reti pubbliche di
bassa tensione e per le reti industriali non pubbliche di bassa e media tensione.
La norma EN 61000-4-30 è raccolta nella Parte-4 (Tecniche di prova e di misura) e
definisce sostanzialmente i metodi di prova e di misura per acquisire e interpretare i disturbi
EMC.
Nei capitoli successivi ci sarà un breve cenno alle tre normative da cui derivano parecchi
aspetti trattati dalla norma EN 50160.
10.1 Norma EN 61000-2-2: Livelli di compatibilità
per i disturbi condotti in bassa frequenza
e la trasmissione dei segnali sulle reti pubbliche
di alimentazione a bassa tensione
La norma è applicata per i disturbi condotti con frequenze sino a 9kHz (estendibile sino a
148,5kHz per i telesegnali). È specifica per le reti pubbliche con tensioni di esercizio sino a
690V/50Hz trifase. I tipi di disturbo trattati dalla norma sono quelli descritti al capito §2, di
seguito riportati:
––
––
––
––
––
––
––
––
––
fluttuazioni della tensione e flicker;
armoniche sino al 50° ordine e componenti continue;
interarmoniche;
distorsioni della tensione;
buchi e brevi interruzioni della tensione;
dissimmetria della tensione;
sovratensioni transitorie;
variazioni della frequenza di rete;
trasmissioni di segnali sulla rete.
I livelli di Compatibilità Elettromagnetica considerati sono applicabili al punto di fornitura
(PCC) dell’energia elettrica. La figura 10b si presta per capire meglio quale sia tale punto.
Questa norma potrebbe contrastare con la norma EN 50160, poiché anch’essa si focalizza
sul punto di fornitura dell’energia elettrica, ma gli obiettivi delle due norme sono differenti.
La norma EN 61000-2-2 stabilisce sostanzialmente i livelli EMC della rete pubblica di BT
quantificati al PCC, mentre la norma EN 50160 utilizza i livelli EMC per un’analisi della
probabilità dei disturbi che si possono manifestare sulla rete pubblica, misurati anch’essi al
PCC.
Un’ulteriore differenza con la norma EN 50160 è la diversità nell’applicazione dei livelli di
Compatibilità Elettromagnetica di alcuni disturbi che differiscono dai valori elencati nelle
tabelle 9b e 9c della norma EN50160.
26
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 26
Schneider Electric
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
10.2 Norma EN 61000-2-4: Livelli di compatibilità
per disturbi condotti in bassa frequenza
negli impianti industriali
Questa norma ha il suo limite di applicazione, per la valutazione dei disturbi di tipo condotto
negli impianti elettrici, sino a 35kV, con frequenza di rete di 50/60Hz e per frequenze di
disturbo sino a 9kHz. Si applica ai punti di accoppiamento in impianto (IPC). La figura 10b
si presta ancora una volta per capire meglio quali siano tali punti. I fenomeni di disturbo
considerati sono i medesimi già considerati nell’EN 61000-2-2. L’applicazione della norma
EN 61000-2-4 entra nel vivo delle realizzazioni industriali, differenziando gli ambienti EMC
perturbati dagli ambienti elettromagneticamente più inerti, quindi classificandoli in tre
distinte classi ambientali.
Ecco di seguito una breve descrizione:
• Classe-1: fanno parte di questa classe gli ambienti più suscettibili ai disturbi EMC, quindi
con alto rischio di danneggiamento, che possono essere rappresentati, per esempio, da
laboratori di misura o dalla presenza di strumentazione di precisione.
• Classe-2: è la classe di assegnazione per gli ambienti più comuni, quindi riguardo la
maggior parte della strumentazione utilizzabile negli impianti.
• Classe-3: identifica gli ambienti più elettromagneticamente inquinati. La presenza di
componentistica tipica quale gli inverter, i variatori di velocità, le saldatrici, forti carichi
variabili, motori di grosso taglio e, in genere, carichi non lineari, è in sostanza scontata.
I livelli di Compatibilità elettromagnetica della norma EN 61000-2-4 possono essere
utilizzati anche per la valutazione delle emissioni delle apparecchiature elettriche non
derivate direttamente dai vari IPC (punti di accoppiamento in impianto), ma localizzate in
determinate zone dell’impianto.
Tuttavia la lunghezza delle linee dei carichi derivati, o l’amplificazione di armoniche dovuta
alla presenza di fenomeni di risonanza elettrica, sono alcuni degli elementi che devono
portare a un’analisi separata dei livelli di disturbo misurati. L’esperienza e la conoscenza dei
parametri elettrici delle linee, in questi casi, sono decisivi per ottimizzare le emissioni EMC,
quindi per valutare la corretta immunità delle apparecchiature installate. In qualsiasi caso i
livelli di Compatibilità Elettromagnetica considerati al PCC dalla norma EN 61000-2-2 non
dovranno essere superati dai livelli della norma EN 61000-2-4.
Le tabelle 10a, 10b, 10c, 10d, 10e e la figura 10a, riportano i livelli di Compatibilità
Elettromagnetica considerati dalla norma EN 61000-2-4 per gli impianti industriali.
Disturbo
Valori limite della tensione:
ΔUN/UN
Dissimmetria della tensione:
UINV/UDIR
Variazione della frequenza di rete (c):
Δf
Classe-1
Classe-2
Classe-3
± 8%
± 10% (a)
da +10% a -15% (b)
2%
2%
3%
± 1 Hz
± 1 Hz
± 1 Hz
Tabella 10a: Livelli di Compatibilità Elettromagnetica per la tensione e frequenza elettrica negli impianti industriali.
(a) Valore non definito nella CEI EN 61000-2-2.
(b) Sono previste variazioni di tensione che forniscono tensioni di alimentazione nella gamma da 0,85 UC a 0,9 UC
per una durata non maggiore di 60 s. Per durate maggiori si applica la gamma da 0,9 UC a 1,1 UC
(c) ± 2 Hz nel caso di reti isolate
Armoniche dispari non
multiple di tre (h)
Classe 1
Uh (%)
Classe 2
Uh (%)
Classe 3
Uh (%)
5
3
6
8
7
3
5
7
11
3
3,5
5
13
3
3
4,5
17
2
2
4
17 <h≤ 49
2,27 x (17/h) - 0,27
2,27 x (17/h) - 0,27
4,5 x (17/h) - 0,5
Tabella 10b: Livelli di Compatibilità Elettromagnetica per le armoniche dispari non multiple di 3 negli impianti industriali. *
Schneider Electric
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 27
27
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
Armoniche dispari
multiple di tre (h)
Classe 1
Uh (%)
Classe 2
Uh (%)
Classe 3
Uh (%)
3
3
5
6
9
1,5
1,5
2,5
15
0,3
0,4
2
21
0,2
0,3
1,75
21 <h< 45
0,2
0,2
1
Tabella 10c: Livelli di Compatibilità Elettromagnetica per le armoniche dispari multiple di 3 negli impianti industriali *
Armoniche pari (h)
Classe 1
Uh (%)
Classe 2
Uh (%)
Classe 3
Uh (%)
2
2
2
3
4
1
1
1,5
6
0,5
0,5
8
0,5
0,5
10
0,5
0,5
10 <h< 50
0,25 x (10/h) + 0,25
0,25 x (10/h) + 0,25
Tabella 10d: Livelli di Compatibilità Elettromagnetica per le armoniche pari negli impianti industriali *
Distorsione
armonica totale
Classe 1
THDv (%)
Classe 2
THDv (%)
Classe 3
THDv(%)
%
5
8
10
Tabella 10e: Livelli di Compatibilità Elettromagnetica per il tasso di distorsione armonica negli impianti industriali *
(*): Alla presenza di carichi non lineari importanti è possibile, prevedendo gli opportuni livelli d’immunità per le
apparecchiature, aumentare del 20% i livelli di compatibilità Elettromagnetica previsti per la classe-3.
Figura 10a: Livelli di Compatibilità Elettromagnetica per le interarmoniche prossime alla frequenza della
fondamentale, risultanti in una modulazione d’ampiezza della tensione di alimentazione
a: Ampiezza dell’interarmonica (in % della fondamentale)
b: Frequenza di batimento con la frequenza fondamentale ( b = fINT. - f50Hz)
c: lampada
Nota:
Si considera: Pst=1; lampada da 60W
28
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 28
Schneider Electric
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
Per completare gli argomenti espressi dalle due norme, rappresentiamo, in figura 10b, la
schematizzazione unifilare di un impianto industriale preso come esempio. Su di esso sono
localizzati il punto di connessione comune (PCC) e i punti di accoppiamento in impianto
(IPC). Le classi di disturbo (1-2-3) assegnate ai vari IPC permettono di localizzare sulla rete
la presenza di carichi di tipo distorcente, quindi gli ambienti elettromagnetici più inquinati,
ma anche le zone EMC più sostenibili.
La progettazione di una rete deve prevedere una corretta ripartizione o separazione dei
carichi lineari da quelli non-lineari o distorcenti per evitare la nascita di problemi di Qualità
dell’Energia.
Figura 10b: Esempio di definizione dei punti di accoppiamento PCC, IPC e classi di disturbo in una rete
di distribuzione con fornitura in MT.
Schneider Electric
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 29
29
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
10.3 Norma EN 61000-4-30: Tecniche di prova
e di misura - Metodi di misura della qualità
dell’alimentazione elettrica
È la norma di riferimento per fissare le tecniche di prova e di misura e per apprendere i
metodi di misura della qualità dell’alimentazione elettrica nelle reti di distribuzione pubbliche
e in impianto, con frequenza di rete di 50/60Hz.
Le norme EN 61000-2-2, EN 61000-2-4 ed EN 50160 utilizzano gli algoritmi di calcolo
normalizzati dalla EN 61000-4-30 per quantizzare numericamente e temporalmente le
grandezze di disturbo.
Consideriamo ora, per riprendere il tema della Qualità dell’Energia, come questa norma si
applichi implicitamente alla strumentazione elettrica utilizzata per una campagna di misura
in pieno accordo con la normativa EN 50160.
In commercio esistono diversi modelli di analizzatori di rete, ma quelli che si prestano
all’analisi statistica della rete presentano alcuni particolari accorgimenti costruttivi tali da
identificarsi nella classe-A della norma EN 61000-4-30.
Come già specificato al precedente capitolo §9, esiste un rapporto diretto tra le due norme.
I metodi di campionamento e di analisi validi per la norma EN 50160 sono definiti nella
norma EN 61000-4-30.
Grandezza o Fenomeno
Classe A
Classe B
Misura
Intervallo
di misura
Precisione
Frequenza
Hz
10 sec
± 0,01 Hz
Indicazioni del costruttore
Ampiezza della tensione
Vrms
10 cicli
± 0,1%
± 1%
Flicker (CEI EN 61000-4-15)
Plt
2 ore
/
NA
Disturbi (buchi, sovratensioni, interruzioni
Variazioni rapide di tensione
% ciclo Vrms
Vrms
10 ms
10 cicli
± 0,2%
± 0,1%
± 2%
NA
Dissimmetria tensioni
Vrms fondamentale
10 cicli
± 0,15%
± 0,3%
Armoniche (CEI EN 61000-4-7)
THD, V, A
10 cicli
/
Indicazioni del costruttore
Tensioni transitorie (non specificato)
(tipicamente fino a 6kV).
V picco
50 µsec (200KS/s)
Interarmoniche
Interarmoniche
10 cicli
/
Indicazioni del costruttore
Marcatura
Al verificarsi di buchi, interruzioni o sovratensioni tutte le
altre misure sono marcate.
Indicazioni del costruttore
Sincronizzazione
Clock esterno; GPS
± 20 ms
Indicazioni del costruttore
Tabella 10f: Intervalli di misura e precisione per le grandezze elettriche secondo la norma EN 61000-4-30
In tabella 10f sono elencati gli intervalli di misura per i fenomeni legati alla tensione elettrica
e la relativa precisione per entrambe le classificazioni (A e B).
Riportando due esempi per la classe-A, il valore rms della tensione elettrica in un sistema
di distribuzione a 50Hz è misurato dalla strumentazione ogni 10 cicli, per cui ogni 200ms;
mentre la frequenza elettrica è invece misurata ogni 10 secondi. Per la classe-B valgono
invece le indicazioni del costruttore.
Tutti i dati acquisiti dalla strumentazione, specificatamente secondo la tabella 10f e per la
classe-A, sono in seguito aggregati su basi temporali diverse della durata di 3 secondi,
10 minuti e 2 ore (la tabella 9b si presta per capire quali grandezze sono aggregate sulle
diverse scelte temporali).
L’aggregazione avviene utilizzando la radice quadrata della media aritmetica dei valori
d’ingresso al quadrato (esempio: l’aggregazione ogni 3 secondi è effettuata con la radice
quadrata della media aritmetica di 15 misure consecutive da 200 millisecondi, ciascuna
elevata al quadrato). L’aggregazione delle misure per la classe-B è indicata dal costruttore.
Sempre con riferimento alla classe-A si osserva, in tabella 10f, che tale classe è quella con
una più alta precisione di misura.
Una fonte di perplessità può però essere relativa al fatto che sul mercato esistono
strumenti analizzatori che utilizzano metodologie di quantizzazione del segnale diverse, pur
rispettando i requisiti della classe-A.
30
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 30
Schneider Electric
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
Ciò è reso possibile dalla stessa norma poiché la classe-A richiede semplicemente una
caratteristica di banda e una velocità di campionamento sufficiente per l’incertezza di
misura specificata di ciascun parametro.
La bontà di precisione della classe-A può essere pregiudicata dal fatto che i dati dichiarati
nella tabella 10f sono riferiti alla sola strumentazione, escludendo l’utilizzo di eventuali
trasduttori di misura, spesso necessari. Si pensi a un monitoraggio di una rete di media
tensione dove la possibilità di accesso alle grandezze elettriche avviene per mezzo
dei riduttori di tensione e di corrente. Quest’ultimi potrebbero presentare una classe di
misura bassa con una forte limitazione della banda di frequenze del segnale primario
da misurare oppure falsare le misure durante la presenza di fenomeni di saturazione dei
nuclei ferromagnetici dei riduttori a causa di guasti sulle reti. In questo caso la possibilità di
ottenere una misura precisa diventa sicuramente discutibile!
La classe-A permette anche la misura del valore rms della tensione ogni 20ms (50Hz), con
un aggiornamento dei dati aggiornati ogni 10ms, ai fini del rilevamento di buchi di tensione
e permette la marcatura degli eventi per evitare che un singolo disturbo provocato, ad
esempio, da un buco di tensione, una sovratensione o un’interruzione della fornitura, sia
considerato in altre misure e di comparire quindi più volte in diversi ambiti.
Un fatto importante è quello per cui tutte le strumentazioni di misura in classe-A si prestano
a un’equiparazione dei valori misurati, nell’ambito della propria incertezza di misura.
Questo presupposto permette teoricamente di utilizzare i dati acquisiti durante una
campagna di misura in un dato luogo e farli valere in sede giudiziaria qualora ne sorga la
necessità. L’esperienza comunque dimostra che un accordo tra le parti vale più di mille
misure, anche se in classe-A.
Nell’edizione 2011-10 della norma EN 61000-4-30 si è aggiunta la classe-S, per distinguere
le apparecchiature adibite a indagini statistiche. Le prestazioni di questa nuova categoria di
strumenti sono inferiori alla classe-A.
Schneider Electric
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 31
31
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
11. Qualità dell’energia:
diagramma e futuri sviluppi
È possibile rappresentare un diagramma descrittivo del tema “Qualità dell’Energia” con la
figura 11a. Al vertice l’argomento di studio e obiettivo da raggiungere, mentre nella parte
inferiore tutta una serie di voci caratterizzanti lo studio della Compatibilità Elettromagnetica.
Nel diagramma troviamo anche una casella dedicata a quegli argomenti che, pur trattati da
norme e guide tecniche del comitato elettrotecnico italiano (CEI), sono messi in secondo
piano o poco considerati ai fini della Q.E. . La scarsa considerazione nella manutenzione
degli impianti e/o apparecchiature ne è un esempio.
Se esaminassimo un impianto industriale complesso, troveremmo certamente quasi tutti
questi ingredienti e la loro interazione originerà una cattiva o buona Qualità dell’Energia.
Figura 11a: Diagramma descrittivo della Qualità dell’Energia
Il diagramma richiama anche le eventuali problematiche EMC legate alla radiofrequenza
(EMI) e alle scariche elettrostatiche (ESD) che, pur essendo argomenti interessanti e
approfonditi da altri enti normatori (CISPR; CONCIT), non saranno trattati da questa
pubblicazione in quanto ritenuti poco affini agli orientamenti prefissati.
Si ricorda che la radiofrequenza è anche un’importante materia ministeriale poiché
interessa la salute di tutti noi cittadini quando esposti, ad esempio, alle radiazioni emesse
dai potenti ponti radio, ponti televisivi, antenne radiofoniche o apparecchi ricetrasmittenti,
che spesso superano i livelli d’emissione fissati dalle leggi, sempre e comunque troppo
permissive o dubbie.
Il contesto che ne segue è veramente delicato! Se, infatti, da una parte ci sono gli ingenti
interessi e profitti dell’industria da preservare, ma anche alcuni elementi irrinunciabili
che concorrono al progresso complessivo del paese (elettrificazione, informazione,
comunicazione, internet), dall’altra ci sono comitati di cittadini, associazioni di consumatori
e laboratori indipendenti che puntualmente denunciano gli sforamenti emissivi fissati,
preoccupandosi degli effetti dannosi per la salute delle persone esposte quotidianamente
alle radiazioni emesse, confermate da autorevoli e specifiche riviste e studi epidemiologici.
Nel merito dell’elettrostatica (ESD), poniamo l’ipotesi che, durante l’assemblaggio di un PC
(personal computer), avvenga una scarica elettrostatica involontaria. In questa situazione
potrebbe essere superato il livello d’immunità di un componente nel tema specifico delle
scariche elettrostatiche, danneggiandolo! Nel settore dell’elettronica e informatica quanto
denunciato è veramente una sfida quotidiana che impone risorse economiche per evitare
che si verifichi.
La tabella 11a mostra i valori tipici assunti dal campo elettrostatico, per le situazioni
considerate nella prima colonna e la correlazione con l’umidità relativa (U.R.) dell’aria.
32
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 32
Schneider Electric
01/08/13 09.45
Qualità dell’energia: show it easy!
Campi elettrostatici (valori tipici)
Causa
10÷25% (U.R.)
65÷90% (U.R.)
Calpestio sul tappeto
35000 Volt
1500 Volt
Calpestio sul pavimento in vinile
12000 Volt
250 Volt
Operatore al banco
6000 Volt
100 Volt
Spostamento di una busta di plastica normale
20000 Volt
1200 Volt
Sedia isolante
18000 Volt
1500 Volt
Tabella 11a: Valori tipici del campo elettrostatico per situazioni comuni
In tabella 11b si riportano invece i valori di suscettibilità dei semiconduttori maggiormente
diffusi: basta veramente poco per guastare un componente elettronico a causa di una
scarica elettrostatica.
Tipo di componente elettronico
Suscettibilità
CMOS
250 ÷ 3000 Volt
OP-AMP
190 ÷ 2500 Volt
VMOS
30 ÷ 1800 Volt
MOSFET
100 ÷ 200 Volt
GaAsFET
100 ÷ 300 Volt
EPROM
100 Volt
JFET
140 ÷ 7000 Volt
BI-POLAR TRANSISTOR
380 ÷ 7000 Volt
SCHOTTKY DIODES
300 ÷ 2500 Volt
SCHOTTKY TTL
1000 ÷ 2500 Volt
Tabella 11b: Suscettibilità alle scariche elettrostatiche dei componenti elettronici
Chiusa questa breve parentesi sui temi EMI/ESD, prima di passare alla seconda parte della
pubblicazione riprendiamo alcuni importanti attuali aspetti che vedono la Qualità dell’Energia
non come un circolo chiuso e vizioso, ma come un cantiere in lento e continuo movimento.
Sebbene questa pubblicazione si basi su definizioni e tematiche attualmente riportate
ed utilizzate dagli addetti ai lavori e dalle norme, le modalità per rendere più espressiva
e incisiva la Qualità dell’Energia si avvalgono della collaborazione di gruppi di studio che
sperimentano nuovi modelli di analisi al fine di sviluppare tutti i suoi aspetti.
Non sono nuove, infatti, le collaborazioni tra l’AEEG (Autorità per l’Energia Elettrica e
il Gas), il GSE (Gestore Servizi Energetici), l’RSE (Ricerca Sistema Energetico) con
gruppi di ricercatori di eccellenza al fine di rendere, ad esempio, incontrovertibili le misure
della strumentazione certificata Q.E., oppure di migliorare le specifiche costruttive della
strumentazione per aiutare l’analisi dei dati.
Quanto enunciato porterà a nuove metodologie di analisi, da inserire nelle future revisioni
delle norme, che renderanno obsoleto tutto il parco della strumentazione di misura
attualmente utilizzato per le indagini Q.E. (Classe-A, norma EN 61000-4-30).
Personalmente ritengo corretto il processo in atto poiché il tema della Q.E. dovrebbe
essere assicurato e garantito da pochi players dotati di strumentazione di alta gamma e da
personale competente.
Un esempio per capire il perché di questi cambiamenti è la recente abolizione legale delle
lampade ad incandescenza da parte dell’Unione Europea, per dar spazio all’utilizzo di
nuovi modelli di lampade a basso profilo energetico.
Tale operazione, a rigor di logica, doveva anticipare la necessaria sperimentazione per
ridefinire l’algoritmo di calcolo del Flicker, ancora oggi basato su un modello che utilizza
una lampada a incandescenza.
Un ulteriore cambiamento sarà quello di determinare le incertezze di misura dell’intera
catena di misura utilizzata per monitorare la rete elettrica. Questo per dare ripetibilità e
conformità alle misure Q.E..
Direi che quest’ultimo obiettivo, avendo una buona esperienza in un laboratorio certificato
UNI CEI EN ISO/IEC 17025, è un passaggio non semplice e tale da stimolare anche la mia
curiosità per carpirne le linee guida.
Potremmo pensare che l’approccio sia simile a quello utilizzato dalla norma sperimentale
CEI 13-4 ediz. 4, per i gruppi di misura dell’energia. Anche qui si gettano le fondamenta per
classificare l’incertezza di misura complessiva determinata dal contatore d’energia elettrica
e dai trasduttori di misura.
Schneider Electric
Qualita_Energia_Parte1­5a.indd 33
33
01/08/13 09.45