Le apparecchiature a media o alta tensione utilizzate per le applicazioni industriali comportano sempre alcuni rischi per la sicurezza. Gli eventi di arco elettrico rappresentano una situazione potenzialmente fatale, per quanto rara, che può essere contenuta adottando la tecnologia più idonea. Mentre aumenta la popolarità dei riscaldatori di processo elettrici, come valida alternativa ai riscaldatori a gas tradizionalmente utilizzati per le applicazioni di grande portata, è essenziale considerare le caratteristiche di mitigazione dell’arco elettrico incorporate. In questo articolo Dennis Long, capo progettista impianti dell’unità operativa tecnologie energetiche e ambientali presso Watlow, prestigiosa società che produce apparecchiature per il riscaldamento industriale, spiega come si forma un arco elettrico e cosa possono fare i produttori per mitigare i rischi.
Le questioni legate alla decarbonizzazione, all’automazione e alla sicurezza hanno portato molte organizzazioni a sostituire i riscaldatori a gas con unità elettriche alternative di dimensioni maggiori. Poiché l’impiego dei riscaldatori di processo a media tensione è relativamente recente in molte applicazioni, queste apparecchiature rappresentano una potenziale nuova fonte di rischio, di cui i produttori devono necessariamente tenere conto.
Potenziali rischi
Per arco elettrico si intende un’esplosione elettrica che avviene quando si verifica un cortocircuito in un impianto, causato da un accumulo di corrosione oppure dalla presenza di polvere conduttiva. Se la tensione è sufficientemente elevata ed esiste un percorso a terra o verso un circuito a tensione inferiore, l’elettricità vince la resistenza dell’aria e dà origine a un arco.
Gli eventi di arco elettrico possono provocare danni importanti. Maggiore è la quantità di energia rilasciata, maggiore è il rischio di incendio e di conseguenti lesioni. Se l’energia rilasciata è molto elevata, il conduttore metallico fuso e l’energia al plasma ad alta pressione possono fuoriuscire dall’armadio elettrico, mettendo a rischio chiunque si trovi nelle vicinanze.
L’energia di un potenziale arco elettrico dipende da una serie di fattori, tra cui la tensione dell’apparecchiatura in uso, la corrente disponibile e la durata dell’evento. Sebbene sia possibile ridurre l’energia di un potenziale arco elettrico limitando i volumi di tensione o corrente, il costo di progetto complessivo può rappresentare un ostacolo. Gli incidenti dovuti alla formazione di arco elettrico sono rari, tuttavia non è possibile trascurarli, dato il loro potenziale in termini di danni e lesioni, anche mortali. Secondo alcune stime, in tutto il mondo si verificano da cinque a dieci eventi di arco elettrico al giorno.
Attenuazione degli effetti
Per ridurre al minimo gli effetti dell’arco elettrico si possono adottare tre strategie, ossia aumentare la distanza dalla potenziale origine di un evento, ridurre la corrente di guasto disponibile e ridurre la durata dell’evento. Per garantire la massima sicurezza è possibile combinare le suddette strategie, ma se si considera il costo di progetto complessivo questa soluzione risulta poco praticabile. Detto ciò, la durata dell’evento è il fattore che meglio si presta a ridurre i danni, oltre ad avere l’impatto maggiore sulla quantità totale di energia rilasciata.
Sono disponibili due diversi approcci, che esamineremo di seguito: gli armadi a prova di arco elettrico e le tecnologie di mitigazione dell’arco elettrico. Lo scopo degli armadi a prova di arco elettrico è ridurre l’esposizione agli eventi di arco elettrico, racchiudendo l’impianto in un armadio metallico dotato di impianto di ventilazione. Il gas riscaldato e la pressione vengono convogliati in un apposito condotto, riducendo l’energia potenzialmente esplosiva. Questa soluzione presenta uno svantaggio: per essere funzionale, è necessario che l’armadio a prova di arco elettrico sia chiuso, ma molti eventi di arco elettrico si verificano durante la manutenzione, quando le porte sono aperte.
Tecnologie di mitigazione
Invece di reindirizzare l’energia generata dall’evento, le tecnologie di mitigazione tendono a ridurre il quantitativo di energia dell’evento stesso limitandone la durata, rilevando tempestivamente l’arco elettrico e attivando automaticamente il circuito appropriato. Le tecnologie di mitigazione dell’arco elettrico possono utilizzare sensori di corrente oppure ottici.
Nella versione ottica, la luce sprigionata dall’arco elettrico all’interno dell’armadio viene rilevata da un sensore fotoelettrico, anche nelle fasi iniziali dell’evento. Il segnale acquisito viene inviato a un relè di protezione, che attiva automaticamente l’interruttore automatico senza necessità di intervento umano.
Uno dei principali vantaggi di questo approccio consiste nel fatto che è del tutto indipendente dall’effettiva intensità della corrente di guasto. Ciò consente al sistema di rilevare la formazione dell’arco fin dalle fasi iniziali e di attivare l’interruttore tempestivamente, limitando la durata dell’evento e il volume totale di energia prodotta.
Il secondo approccio di mitigazione dell’arco elettrico utilizza dei convertitori di corrente per rilevare un eventuale incremento nella corrente generata dall’arco. Tuttavia, se non calibrati correttamente, i convertitori potrebbero non essere in grado di arrestare l’impianto o di risolvere l’evento.
Le tecnologie di mitigazione dell’arco elettrico consentono anche di ridurre i danni alle apparecchiature, in quanto rimangono funzionali anche quando le porte dell’armadio sono aperte, durante gli interventi di manutenzione. Ad esempio, nell’impianto termico POWERSAFE prodotto da Watlow è possibile installare i sensori all’interno del termoregolatore, nel raddrizzatore controllato al silicio (SCR) a contatto singolo o nel nodo, che sono protetti da un alimentatore. Quando un sensore rileva un evento di arco elettrico in un compartimento, l’alimentatore arresta l’impianto per limitare i danni causati dall’arco.
Via via che si estende l’impiego dei riscaldatori di processo a media tensione, è imperativo che la progettazione sia improntata alla sicurezza. In questo settore le tecnologie di mitigazione dell’arco elettrico rappresentano l’approccio migliore, in quanto riducono la durata degli eventi e il volume di energia rilasciata, contribuendo a contenere al massimo i rischi e i danni potenziali.
